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1. 游乐场中的过山车沿高度不同的轨道运动时，动能与势能是怎样转化的？

1、游乐场中的过山车沿高度不同的轨道运动时，动能与势能是怎样转化的？

原理：重力势能与动能的转化。

分析：

事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是重力势能，即由势能转化为动能、又由动能转化为重力势能这样一种不断转化的过程构成的。

第一种能，即重力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，它是由于物体和地球的重力相互作用而产生的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。

当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但能量不会消失，而是转化成了动能，也就是运动的能量。

不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和势能）。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘略矮一点的原因。

过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于重力作用于过山车中部的质量中心的缘故。

这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨飞出去。

车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质量中心越过高点被重力推动。

过山车的竖直立环是一种离心机装置，当列车接近回环时，乘客的惯性速度笔直地指向前方。但车厢一直沿轨道行进，使乘客的身体无法按直线运动。

于是重力推着乘客离开车厢的地板，而惯性则将乘客向地板方向挤压。乘客本身的外向惯性产生惯性力，使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢的底部。当然乘客需要某种安全护具来保证自己的安全，但在大多数大回环中，无论有没有护具，乘客都会停留在车厢中。

当列车沿着回环移动时，作用在乘客身上的合力在不断地变化。在回环的最底部，因为加速度朝上，所以轨道对游客向上的支撑力要大于重力，此时游客可以感觉到超重的现象，即感觉特别沉重。

当一路冲上回环时，重力则把乘客向地板的方向推。所以乘客会感到重力将您向座位方向挤压。

在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力以及轨道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力和重力仅与离心力平衡，即提供运动所需的向心力，此时若是飞车的速度较小，小到所产生的离心力小于重力的话，飞车就会有掉落的危险。

所以，在回环顶部的时候要求有一定的速度以保证安全。同时也是由于离心力的存在，抵消了一部分重力，于是乘客会产生失重现象，感觉身体变得极轻。等列车驶出回环，沿水平方向行进，乘客又会回到原来的重力。

大回环的魅力在于，它在短短的一段轨道中塞进了丰富的元素。在几秒钟内，作用在乘客身上的力不断变化，从而让人体验到各种不同的感觉。

当这些力作用于身体的各个部位时，眼睛会看到整个世界都倒了过来。对于许多过山车乘客而言，在回环顶部是整个运行过程中最精彩的一刻，人们会感到身体轻如羽毛，眼中只能看到天空。

在大回环中，竖直加速度的强度是由两个因素决定的：列车的速度和弯道的角度。当列车进入回环时，它拥有最大的动能，也就是说，它以最快的速度移动。

在回环的顶部，重力已经在一定程度上降低了列车的速度，所以列车拥有更多的势能，但动能减少了，也就是说它以较低的速度移动，但速度不能够低于某一个安全行驶的速度。过山车的设计师们最早采用的是正圆形回环。在这种设计中，一路上的弯道角度是一个常数。

为了在回环顶部产生足够的竖直加速度以压迫列车紧贴轨道，设计师们必须让列车以相当快的速度进入回环（如此可使列车在回环顶部仍能快速行进）。更快的速度意味着乘客在进入回环时会受到更大的作用力，而这可能会让乘客很不舒服。

水滴形设计使这些力的平衡变得更加容易。回环顶部的弯道角度比回环侧面更急促。

这样可以让列车以足够快的速度穿过回环，使之在回环顶部拥有充足的加速力，而且水滴形设计会在侧面产生较小的竖直加速度。这提供了维持过山车一切运行所需的力，而不致将过大的力施加在可能有危险的部位。

一旦过山车走完了它的行程，制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由制动气缸中气体的压力来控制的。

扩展资料：

过山车分类：

1，木质过山车：木制过山车的轨道类似于传统的火车铁轨。过山车的金属轮子在平坦的金属条上滚动，每根金属条的宽度为10至15厘米。这种金属条是用螺钉固定在运行轨道上的，运行轨道用胶合木板制成，十分坚固。轨道则多以陡坡和侧旋为主，鲜见翻转。

2，扭转过山车：一种坐下式的的过山车， 一般占地较小，拥有多种不同轨道，极为弯曲。著名的Bamp;M公司则以该种过山车而闻名世界。

3，站立式扭转过山车：乘客采用站立方式乘坐的过山车，全身都能感受到翻滚时血液在体内的涌动。

4，超级扭转过山车（又称MEGA过山车）：虽然叫“扭转过山车” 但它却没有翻转，仅保留了一些山坡。使乘坐者能感受到强烈的失重。占地一般较大，造价昂贵，可以算是木质过山车的钢铁升级版。

5，发射过山车（其中高度超过120米的又称等级过山车）：一般有极高的高坡 用水压动力轮或者LIM驱动过山车冲上大约100米的高坡或者其他轨道元素，该种过山车目前保持着全球最高过山车的桂冠。

6，飞天滑板：一种冲浪板形的过山车，用LIM驱动，在U形的轨道上来回穿梭。

7，球体过山车：一种座位在车的两边，并可自由旋转的过山车。轨道长度一般不超过200米。

8，儿童（迷你、家庭）过山车：一种落差，坡度，速度都不是很大的过山车，占地较小，适合儿童乘坐。

9，水上过山车：一种能溅起极高的，无法抵挡的水花的过山车，一般整个过山车建筑都建造在水池中，并且长度不长。

10，垂直下坠过山车、跌落式过山车：带有超宽的车厢，一般一排8到10人，有90度的垂直下坠，而且通常在下坠之前有一个带链条的间隔刹车（临近90度斜坡前有短暂的停止，然后突然向下冲。）

11，螺旋过山车：一种坐下式的过山车，特点是有开塞钻式的螺旋。

12，摩托过山车：车厢做成马形或摩托车形，让你体验高速骑行乐趣的过山车。

13，塔楼过山车：一种垂直提升的过山车，提升到顶部时立刻转向地面并释放，通常俯冲角会大于90度，车厢较小，扭转更快，是一种非常刺激的过山车。

14，多次元（4D）过山车：一种科技含量极高的过山车 ，座位悬挂在主车厢外侧，并可以随轨道的设计单独翻转，再加上主车厢随轨道的翻转，给人一种不同的乘坐体验。 4D过山车全球仅有3套，一套在美国的六旗魔术山，另一套在日本的富士急乐园，第三套中国常州的中华恐龙园内。

15，宽翼过山车：一种座位在主车体两边的过山车，乘客们会体验到上下无轨道遮挡的凌空飞行感觉，与4D过山车不同，宽翼过山车的座位不会进行单独翻转。

中国目前已有三台已开放和四台建造中的宽翼过山车（三台已开放的宽翼过山车分别位于珠海长隆海洋王国，重庆欢乐谷以及七彩云南欢乐世界）。

16，X-car 过山车：一种对人束缚极少的过山车，此种过山车仅仅采用体育场风格的敞开式座位，安全装置仅压紧腰部使其无法动弹。除此之外乘坐者的其他身体部位全部自由，给人一种开放的乘坐感觉。

17，翻转脉冲过山车：用LIM驱动 在两个垂直轨道之间来回穿梭。

18，翻转过山车:循环式轨道，多次翻转，这种车悬在轨道下方，无地板，乘坐时脚悬空，让乘客感觉像乘坐坐急速扭转的战斗机一般。

19，飞行过山车：Bamp;M的招牌过山车之一，人们趴着乘坐此种过山车，并可以自由张开双臂，就像飞行的鸟一样。

20，悬挂摇摆过山车：一种转弯的时候会自行产生离心运动，车厢可自由摆动的过山车。

21，VR过山车：一种虚拟现实的过山车体验，不局限于过山车的室外场地景色。

参考资料：

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