Achterbahnen können Erbrechen und Tränen auslösen, aber sie sind auch faszinierende Beispiele für komplexe Physik bei der Arbeit.

Um eine Reihe von Autos durch einen Knoten von Drops, Flips, Rolls und Launches zu bringen, müssen Teams von Maschinenbauingenieuren Konzepte wie Kräfte, Beschleunigung und Energie analysieren. Um einen Eindruck von der Wissenschaft hinter unseren Lieblingsfahrgeschäften zu bekommen, haben wir mit Jeffrey Rhoads gesprochen, einem Professor an der Purdue School of Mechanical Engineering und Schöpfer der Achterbahn-Dynamikklasse der Universität.

Den Kreislauf vervollständigen

Beginnen wir mit den Grundlagen. Achterbahnen müssen wie alles andere dem Energieerhaltungssatz gehorchen, d. h. der Zug kann nur so schnell und so weit fahren, wie es die gespeicherte (potentielle) Energie zulässt.

Potentielle Energie entsteht normalerweise, wenn der Zug mit einer Kette oder einem Kabel einen Hügel hinauf gehoben wird. Wenn ein Zug einen Hügel hinunterfährt, wird die potentielle Energie in bewegte (kinetische) Energie umgewandelt; Je schneller der Zug fährt, desto mehr kinetische Energie hat er.

Die kinetische Energie wird wieder in potentielle Energie umgewandelt, wenn die Autos die folgenden Hügel hinauffahren. Da die Autos durch Kräfte wie Reibung und Luftwiderstand zwangsläufig etwas Energie verlieren, ist der höchste Punkt einer traditionellen Achterbahn (denken Sie: Six Flags Magic Mountain’s Goliath oder Verdrehter Koloss Fahrten) ist fast immer der erste Hügel. Wenn ein weiterer großer Drop höher als der erste ist, fügen die Designer weitere Lifts hinzu (denken Sie an den großen Drop am Ende von Disneys Splash Mountain).

Einige Achterbahnen fallen weiter als 90 Grad ab und biegen sich an der Spitze des Lifthügels nach innen, wie auf Valravn in Cedar Point. Die Physik ist die gleiche, aber Rhoads sagt, dass diese Tropfen ein akuteres Gefühl der Schwerelosigkeit vermitteln können.

Andere Achterbahnen, wie Kingda Ka von Six Flags Great Adventure oder Top Thrill Dragster von Cedar Point, speichern ihre Energie in Werfern, flüssigkeits- oder luftdruckbetriebenen Flipperkolben oder in Elektromagneten, die in die Strecke und in die Autos eingebaut sind. Launch Coaster benötigen keine gigantischen Lifthügel (was viel Platz spart) und bieten eine andere Art von Vorfreude. Große Parks wollen eine Vielzahl von Fahrerlebnissen und Launch Coaster sind eine großartige Möglichkeit, das Fahrgefühl zu ändern, sagt Rhoads.

Loops, Flips und Turns

Ingenieure erzeugen Nervenkitzel durch Beschleunigung – im Grunde verändern sie die Geschwindigkeit der Fahrer auf hoch entwickelte, unnatürliche Weise. Coaster-Ingenieure greifen auf Newtons Bewegungsgesetze zurück, um die Fahrer dazu zu bringen, die kombinierten Kräfte von Schwerkraft und Beschleunigung zu spüren, was ein aufregendes, ungewöhnliches Körpergefühl erzeugt. Loopings, Korkenzieher und enge Kurven zwingen Fahrer' Körper vertikal und horizontal auf berechnete Weise.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Schleifen tropfenförmig und nicht kreisförmig sind? Die Herausforderung besteht darin, die Übergänge in und aus der Schleife zu gestalten“, sagt Rhoads. „Sie müssen sicherstellen, dass Sie keinen Ruck oder Beschleunigungsänderungen verursachen, die zu einem Schleudertrauma führen können. Alles, was sich kreisförmig bewegt, erfährt eine andere Art von Beschleunigung, die als Zentripetalbeschleunigung bezeichnet wird und die zunimmt, je schneller das Auto fährt oder je kleiner der Kreis ist. Eine Kreisschleife würde durch die plötzliche Addition der Zentripetalbeschleunigung einen Ruck verursachen. Eine Tropfenform kontrolliert diese Beschleunigung, erleichtert den Fahrer durch die Schleife und verhindert Ruck.

Und dann gibt es Rollen, die Fahrer auf verschiedene Weise desorientieren können. Inline-Twists sind Rollen, die Züge um die Strecke drehen, aber Heartline-Rollen versuchen, die Fahrer um ihre Brust zu drehen. Koloss in Thorpe Park (oben) ist das beste Beispiel für Heartline-Rollen bei der Arbeit – die 90-Sekunden-Fahrt bietet 10 Umkehrungen, darunter vier aufeinanderfolgende Heartline-Rollen. Wir werden mehr [Untersetzer mit] mehreren Rollen in Serie nacheinander sehen, sagte Rhoads, weil dies eine enorme Desorientierung erzeugt.

Holz versus Stahl

Holzuntersetzer können Schleifen nicht sehr gut aufnehmen, daher sind sie oft weniger verwirrend als ihre Gegenstücke aus Stahl. Warum also bevorzugen manche Fahrer sie? Die Leute... mögen die Vorfreude, ihre Wackeligkeit, die sie ein wenig aufpeppt. Sie wollen das Gefühl haben, dass sich die Struktur unter ihnen bewegt, sagt Rhoads. Stahluntersetzer sind fast das genaue Gegenteil. Es ist, als ob man ein antikes Fahrzeug fährt oder den neuesten Sportwagen fährt.

Holzachterbahnen haben in der Regel keine Schlaufen oder Rollen, da viel zu viel Holz benötigt würde, um die Kraft einer schweren Achterbahn zu tragen. Hades 360 am Berg. Olymp in Wisconsin unterstützt eine Rolle auf Holzschienen mit Stahlgerüst.

Untersetzer der nächsten Generation

Es gibt nur so viele Möglichkeiten, Leute in kleinen Karren herumzuschleudern, indem man sie auf, ab und auf den Kopf schickt. Einige Fahrgeschäftsbauer erstellen Fächer, die unabhängig von den Autos rollen und Achsen senkrecht zur Strecke umkreisen, was mehr Flips hinzufügt, ohne mehr Loops zu benötigen. Das sieht man wirklich auf The Joker bei Six Flag's Great Adventure (unten).

Achterbahnerlebnisse sind jedoch mehr als nur die Summe ihrer Beschleunigungen. Andere Bauherren fügen Lichter und Rauch hinzu, schicken Achterbahnen in den Untergrund und fügen Kopf- und Fuß-Chopper hinzu, nah, aber nicht zu nahe Bars, die ein zusätzliches Element von Nervenkitzel und / oder Terror bieten. Das ist die Flugbahn, die wir für eine Weile verfolgen werden, sagte Rhoads. Größer und schneller geht es nicht mehr lange.