物理學(xué)原理在游樂場中的應(yīng)用.doc

物理學(xué)原理在游樂場中的應(yīng)用2011-11-14物理是一門歷史悠久的自然學(xué)科。隨著科技的發(fā)展，社會的進步，物理已經(jīng)滲入到人類生活的各個領(lǐng)域：小到我們身邊的衣食住行，大到航天航空技術(shù)的發(fā)展，這些都無一例外的與物理學(xué)密切相關(guān)。生活中處處蘊含著物理知識，那么我們就以游樂場為例，游樂場的設(shè)施大多與力學(xué)、運動學(xué)以及電磁學(xué)密切相關(guān)，下面就以幾個我們常見的游玩項目來做簡單的介紹：過山車過山車又稱云霄飛車，常見于游樂園和主題樂園中。拉馬庫斯阿德納湯普森是第一個注冊過山車相關(guān)專利技術(shù)的人（1865年1月20日），并因制造過數(shù)十個過山車設(shè)施，而被譽稱為“重力之父”。一個基本的過山車運動過程中，包含了爬升、滑落、倒轉(zhuǎn)，其軌道的設(shè)計不一定是一個完整的回圈。大部分過山車每個車廂的規(guī)格為可容納2人、4 人或6人，這些車廂利用鉤子相互連結(jié)起來，就像火車一樣。乘坐過山車雖然非常刺激，但是過山車基本上是一個非常安全的設(shè)施。根據(jù)美國消費者產(chǎn)品安全委員會和六旗樂園的調(diào)查顯示，2001 年中游客搭乘過山車的死亡率約為15億分之一。乘坐過山車那種風(fēng)馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學(xué)感興趣的話，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學(xué)定律。實際上，過山車的運動包含了許多物理學(xué)原理，人們在設(shè)計過山車時巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學(xué)打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了。在剛剛開始時，過山車的小列車依靠一個機械裝置的推力到達軌道的最高點，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了。事實上，從這時起，帶動它沿軌道行駛的唯一“發(fā)動機”是引力勢能，過山車的運動過程就是由勢能轉(zhuǎn)化為動能、又由動能轉(zhuǎn)化為勢能的一種能量不斷轉(zhuǎn)化的過程。引力勢能是物體因其所處位置而擁有的能量，是由其高度和由引力產(chǎn)生的加速度形成的。對過山車來說，它的勢能在處于最高點時達到最大值，也就是當(dāng)它爬升到軌道的頂峰時最大。當(dāng)過山車開始下行時，它的勢能就不斷地減少，并轉(zhuǎn)化為動能。在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道摩擦產(chǎn)生了熱量，損耗了少量動能和勢能，因此在過山車軌道的設(shè)計中，隨后的“山坡”比開始時的“山坡”高度要低一些。這就是為什么在設(shè)計中隨后的小山丘比開始時的小山丘那樣的高度所需要的機械能少了。過山車的最后一節(jié)車廂是它贈送給勇敢乘客最為刺激的禮物。事實上，坐在過山車尾部車廂的乘客對過山車下降的感受最為強烈。因為最后一節(jié)車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是引力作用于過山車中部質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能夠快速地達到和跨越最高點，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺。由于質(zhì)量中心正在加速向下，因此過山車尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時，小車廂就可能脫軌而被甩出去。而頭部的車廂情況則不同，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”質(zhì)量中心越過最高點被引力推動。過山車的豎直立環(huán)是一種離心機裝置，當(dāng)列車接近回環(huán)時，乘客的慣性速度筆直地指向前方。但車廂一直沿軌道行進，使乘客的身體無法按直線運動。于是重力推著乘客離開車廂的地板，而慣性則將乘客向地板方向擠壓。乘客本身的外向慣性產(chǎn)生某種“偽重力”，使乘客即使在頭朝下時也能牢牢地停留在車廂的底部。當(dāng)然乘客需要某種安全護具來保證自己的安全，但在大多數(shù)大回環(huán)中，無論有沒有護具，乘客都會停留在車廂中。當(dāng)列車沿著回環(huán)移動時，作用在乘客身上的合力在不斷地變化。在回環(huán)的最底部，豎直加速度對乘客施加一個向下推力，方向與重力一致。在此時，由于乘客受到同一方向的兩股推力，所以會感到自己特別沉重。當(dāng)一路沖上回環(huán)時，豎直加速度則把乘客向地板的方向推。所以乘客會感到重力將您向座位方向擠壓。在回環(huán)的頂部，乘客完全倒轉(zhuǎn)了過來，指向地面的重力想把乘客拖出座位，但支持力比重力更強，它的方向指向天空，把乘客壓在座位上。由于兩股推力的方向相反、強度大致相等，于是乘客會感覺身體變得極輕。和急速下降時一樣，乘客在回環(huán)的頂部也會出現(xiàn)短暫的失重現(xiàn)象。等列車駛出回環(huán)，沿水平方向行進，乘客又會回到原來的重力。大回環(huán)的魅力在于，它在短短的一段軌道中塞進了豐富的元素。在幾秒鐘內(nèi)，作用在乘客身上的力不斷變化，從而讓人體驗到各種不同的感覺。當(dāng)這些力作用于身體的各個部位時，眼睛會看到整個世界都倒了過來。對于許多過山車乘客而言，在回環(huán)頂部是整個運行過程中最精彩的一刻，人們會感到身體輕如羽毛，眼中只能看到天空。在大回環(huán)中，豎直加速度的強度是由兩個因素決定的：列車的速度和彎道的角度。當(dāng)列車進入回環(huán)時，它擁有最大的動能，也就是說，它以最快的速度移動。在回環(huán)的頂部，重力已經(jīng)在一定程度上降低了列車的速度，所以列車擁有更多的勢能，但動能減少了，也就是說它以較低的速度移動。 到達“垂直循環(huán)”時，沿直線軌道行進的過山車突然向上轉(zhuǎn)彎。這時，乘客會有一種被壓到軌道上的感覺，因為這時產(chǎn)生了一種離心力，即做圓周運動的物體因其慣性，有沿圓周軌跡切線做直線運動的遠離圓心的趨勢。而在環(huán)形軌道上由于鐵軌與過山車相互作用又產(chǎn)生了一種向心力，如果離心力大于向心力，過山車就會飛出軌道；向心力大于離心力，過山車就會落向軌道的圓心位置。因此這種環(huán)形軌道通常是水滴形的，目的就是為了“平衡”這兩種力。當(dāng)過山車到達圓形軌道的最高點時會慢下來，但如果彎曲的程度較小，這種現(xiàn)象會減弱。 一旦過山車走完了它的行程，機械制動裝置就會非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由氣缸中氣體的壓力來控制的。 跳樓機跳樓機，一個比過山車更加驚險刺激游玩項目。準(zhǔn)備玩跳樓機的人，在身體素質(zhì)和心理素質(zhì)方面都需要有一定的條件，否則，玩的人會容易出現(xiàn)一些意外、玩過后會增大心理陰影。在一個環(huán)狀的東西 (像甜甜圈一樣) 四周坐滿了人，沿著軸心的支柱緩慢地上升。到了離地面二十層樓的高度，你會感受到十?dāng)?shù)秒的寧靜，然后甜甜圈帶著所有的人在地心吸力下下跌，剎那間眾人在驚慌中尖叫，就好像將要跌得粉身碎骨一樣。在離地面很近的時候，甜甜圈突然減速了，最后安然地停下來。眾人在猶有余悸之際，還在興高釆烈地談?wù)撝鴦偛诺木o張剌激的經(jīng)歷呢！我們在跳樓機中自由下墜時，會感受到一種無重狀態(tài)，就好像航天員在穿梭機中漂浮著一樣。為甚么物體在引力下自由下墜時會失去重量？這又與太空中的無重狀態(tài)有甚么相似的地方呢？首先想一想為甚么我們平日會感受到身體的重量。根據(jù)牛頓的萬有引力定律，地球?qū)ξ覀兊纳眢w產(chǎn)生引力。但原來地面對我們的身體也產(chǎn)生一個承托力，引力與承托力相等并互相平衡，我們才得以安然地站在地上不動。如果假想承托力消失，我們便會隨引力下墜，掉進地球的中心了！這兩個方向相反的力對我們的身體組織產(chǎn)生一種壓力，使我們感受到自己身體的重量。早在 17 世紀(jì)，伽里略已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的物體在引力下會以相同的加速度自由下墜。換句話說，如果我們可以忽略空氣阻力的影響，任何物體在同樣的高度會以相同的時間跌落地面。據(jù)說伽里略曾經(jīng)在比塞塔頂?shù)粝聝蓚€大小相等但質(zhì)量不同的圓球，發(fā)現(xiàn)它們同時到地，驗證了上述的原理。讓我們回到跳樓機的問題上。當(dāng)跳樓機與你一同下跌時，跳樓機和你各自受到地球引力影響下跌，加速度相同，因此跳樓機對你幾乎沒有產(chǎn)生任何作用力，沒有了地面或其它物體對你的承托力，你便會毫無束縛，完全感受不到身體的重量了。事實上，航天員在穿梭機中感受無重狀態(tài)，亦是因為他們在引力下自由下墜的原故。在繞地球的軌道上，穿梭機與航天員之間相對靜止，于是航天員便可以在機倉中自由地漂浮著。與跳樓機唯一不同的是，穿梭機中的航天員是真正的失重，但是跳樓機的安全保險裝置把人體與機器綁定，整體下降水平牽涉到人身上使得人體體液分布失衡，高密度臟器也是處在慣性上壓的狀態(tài)，容易血管出血等，從醫(yī)學(xué)角度看，跳樓機和真人跳樓不僅有死與不死的區(qū)別，也有均勻受力和不均衡受力的區(qū)別。我們知道，地球作用于物體的引力 與地球的質(zhì)量 和物體的質(zhì)量成正比，而與他們之間距離的平方成反比，即 F=(GMm)/(r2)?？墒桥ｎD第二定律告訴我們，物體受力作用時，加速度與物體的質(zhì)量成反比，即 a=F/m。把兩式合起來,我們有加速度a便與物體的質(zhì)量m無關(guān)：a=(GM)/(r2)。蹦極如果說跳樓機只是近似完全失重，那蹦極就是真正的完全失重了。蹦極，最簡單直接的體驗在加速度a=g=9.8m/s2時下落的沖擊力。在你跳下的瞬間會有一種靈魂出鞘的驚魂的體驗。而當(dāng)你被拉上去時，又會感覺這一切來得太快也去的太快，你會感覺回味無窮。蹦極是近幾年來新興的一項非常刺激的戶外休閑活動。跳躍者站在約40米以上（相當(dāng)于10層樓）高度的橋梁、塔頂、高樓、吊車甚至熱氣球上，把一端固定的一根長長的橡皮條綁在踝關(guān)節(jié)處然后兩臂伸開，雙腿并攏，頭朝下跳下去。綁在跳躍者踝部的橡皮條很長，足以使跳躍者在空中享受幾秒鐘的“自由落體”。當(dāng)人體落到離地面一定距離時，橡皮繩被拉開、繃緊、阻止人體繼續(xù)下落，當(dāng)?shù)竭_最低點時橡皮再次彈起，人被拉起，隨后，又落下，這樣反復(fù)多次直到橡皮繩的彈性消失為止，這就是蹦極的全過程。世界最高的蹦極點位于南非東開普省齊齊卡馬山中一座名為布勞克朗斯的大橋上，高度為216米，1997年12月開始正式接待游人，至今共計100人次，最小的只有9歲，最長者則是84歲的老人；第二高的蹦極點在瑞士的一個風(fēng)景點的纜車上，高度為160米；第三高的蹦極點位于新西蘭，蹦極高度為134米。1970年，地理學(xué)家們再次到這個小島，攝影家兼作家卡爾穆勒成為第一個嘗試這種令人心顫活動的外來人，他形容自己從25米高處躍下時，奇怪地感覺自己似乎停止了思維，極度興奮后，身體稍有些不適應(yīng)。1979年4月1日，英國牛津大學(xué)冒險俱樂部成員從當(dāng)?shù)?45英尺高的克里夫頓橋上利用一根彈性繩索飛身跳下，拉開了現(xiàn)代蹦極運動的帷幕。但蹦極跳的真正發(fā)揚光大是在新西蘭。早在1988年，A J 賀克特和克里斯奧拉姆在新西蘭成立了第一家商業(yè)性蹦極組織反彈跳躍協(xié)會。賀克特更是從埃菲爾鐵塔上跳下，因而更加引起了世人對蹦極跳的興趣。同年，約翰考夫曼和他的弟弟在美國加利福尼亞州也成立了一個商業(yè)性的蹦極機構(gòu)。約翰本人就是被電視上的蹦極表演吸引到這個行業(yè)中來的，在不到三年的時間里，他們就吸引了1萬6千人，每人花費99美元來參加蹦極跳，并把蹦極發(fā)展到大橋式蹦極、飛機式蹦極等多種形式。1990年，又開創(chuàng)了熱氣球蹦極跳。從此大力推廣這一運動。到目前為止，世界上有很多國家都已建立了蹦極跳運動基地，例如新加坡、日本、加拿大、澳大利亞以及一些歐洲國家。1997年5月1日，蹦極跳首次傳入中國。最近出現(xiàn)了一種全新的飛天蹦極，吸引了眾多愛好者。飛天蹦極俗稱蹦極球。外形像熱氣球，下掛完全裸露在外的坐椅，綁好安全帶，再加上幾個增重的沙袋，此時你只需雙腳向地上一蹬，幾秒鐘后即可飛上數(shù)十米的高空，體會云中漫游的感覺。飛天蹦極作為一項新型的休閑娛樂項目，對經(jīng)營場地要求不高，資金投入小，操作簡單、安全性能好（有主力繩、保險繩、緊急繩和強力開關(guān)繩四重保險），特別適合在海濱、旅游區(qū)、度假村和體育場經(jīng)營，其球體廣告的收益也十分可觀。同時還可用于高空定位攝影、輔助表演和高空照明，用途十分廣泛。飛天蹦極既無玩熱氣球的麻煩，又無須具備操縱滑翔傘的技巧，但卻擁有和它們同樣的升空體驗，使人們感受到其驚險、刺激和新穎，成為一項嶄新的休閑體育娛樂項目。杭州樂園之風(fēng)火輪下面我們來談?wù)撘幌卤镜靥赜械囊粋€游玩項目吧，那就是杭州樂園的風(fēng)火輪。它雖然沒有過山車、跳樓機、蹦極之速度，但絕對是最刺激、最眩暈的游樂項目，也是最為復(fù)雜的運動 。要說它的運動原理猶如整個銀河系的運行一樣，幾張鐵臂的中心就如同銀河系的中心，它在三維的空間里旋轉(zhuǎn)著。而鐵臂的末端連著背靠背的四張座位，末端的軸在水平面旋轉(zhuǎn)的同時，四張座位也在豎直平面里上下顛倒著旋轉(zhuǎn)。這類似月球在整個銀河系，但似乎比這又更為復(fù)雜，因為它每一個部分的運動是在三維空間里的旋轉(zhuǎn)，就好比盧瑟福原子模型中電子圍繞原子核的旋轉(zhuǎn)運動一樣。坐在風(fēng)火輪上，就感覺他是一個擁有無窮能量的巨人，不可置信的雙重旋轉(zhuǎn)讓你仿佛置身一場風(fēng)暴。碰碰車碰碰車這是一個傳統(tǒng)的游玩項目，我們大家再熟悉不過了，但它的運行機制也許你并不了解。碰碰車種機動游戲，設(shè)備包括一個室內(nèi)的場地，天花上有通電的電網(wǎng)。地面則為灑上少量石墨的金屬地板。場內(nèi)有供乘客駕駛的小型電動碰碰車。搖擺機的四周有由橡膠造成的圍裙，并由接到天花的垂直電桿取電。車上一般最多坐二人，有加速用的腳踏，和轉(zhuǎn)向的方向盤。工作原理：碰碰車的供電又叫天網(wǎng)式供電：一種用條塊狀導(dǎo)體組合而成的供電網(wǎng)絡(luò)，是在一塊足夠大的絕緣板上，布置若干導(dǎo)電條，相鄰導(dǎo)電條的電極性相反，各導(dǎo)電條以適當(dāng)?shù)姆椒ǜ髯耘c電源的同名端相連。當(dāng)一個物體在供電網(wǎng)絡(luò)里自由活動時，可通過一個滑動觸點組從供電網(wǎng)絡(luò)中吸取電能或電信號。本條塊狀供電網(wǎng)絡(luò)，可直接應(yīng)用于給游樂園中的碰碰車供電。采用這種供電方法的碰碰車活動場所，地面不必再鋪鋼板，可直接利用普通地面。碰碰車的游戲規(guī)則是：駕駛者爭取最快在場內(nèi)完成繞圈，途中可以橫沖直撞，把對手的車碰開。當(dāng)時間到了，游戲結(jié)束時操作員把電源關(guān)上。碰碰車的速度通常很低，就算是碰撞亦不會損害人車。 最早的碰碰車在1920年代已出現(xiàn)。 地網(wǎng)碰碰車：地網(wǎng)碰碰車需要在專用車場上行駛，比電瓶碰碰車撞擊更強，是一種參與性的娛樂設(shè)備，游客親自駕駛,碰、擦、左沖、右撞，防不勝防，令人刺激精彩。電瓶碰碰車：采用環(huán)保玻璃鋼制品一次成型制作而成，鐵件靜電噴塑烤漆，配備先進的音響、定位、燈光、定時功能等, 采用24v電瓶電源,仿制動物制成，色彩艷麗，不褪色，具有環(huán)保、耐腐蝕、穩(wěn)固性好、美觀、款式新穎、安全性能好，適應(yīng)場地廣泛等特點，是深受市場歡迎和孩子們喜愛的游樂設(shè)備。電網(wǎng)碰碰車：無天網(wǎng)碰碰車是一種國內(nèi)外最流行、最具震撼力的新型地網(wǎng)碰車，它供電的兩個電極都是在板上，游客親自駕駛、左沖、右撞、擦、碰，防不勝防，令人刺激無比。摩天輪在一座廣闊的樂園里如何觀賞到全貌，那最好的選擇就是乘坐摩天輪了。摩天輪最為突出的特點就是高了，當(dāng)我們乘坐摩天輪行到最高處時，可以俯瞰樂園的全貌，然而這么巨大的設(shè)施是如何運行的呢？用電動機通過減速機減速,把高轉(zhuǎn)速低扭矩的轉(zhuǎn)為高扭矩低轉(zhuǎn)速的機械動力.通過一般是輪胎等又彈性有有一定強度的中間機構(gòu)傳到輪盤上.使其低速轉(zhuǎn)動.摩天輪是一種大型轉(zhuǎn)輪狀的機械建筑設(shè)施，上面掛在輪邊緣的是供乘客乘搭的座艙。乘客坐在摩天輪慢慢的往上轉(zhuǎn)，可以從高處俯瞰四周景色。但摩天輪也經(jīng)常單獨存在于其他的場合通常被用來作為會活動的觀景臺使用。最早的摩天輪由美國人喬治法利士在1893年為芝加哥的博覽會設(shè)計，目的是與巴黎在1889年博覽會建造的巴黎鐵塔一較高下。第一個摩天輪重2200噸，可