La física de las montañas rusas comprende la mecánica que afecta el diseño y funcionamiento de las montañas rusas , una máquina que utiliza la gravedad y la inercia para enviar un tren de vagones por una pista sinuosa. La gravedad, la inercia, las fuerzas g y la aceleración centrípeta dan a los ciclistas fuerzas en constante cambio que crean ciertas sensaciones a medida que la montaña rusa recorre la pista.
Una montaña rusa es una máquina que utiliza la gravedad y la inercia para enviar un tren de vagones a lo largo de una pista sinuosa. [1] La combinación de gravedad e inercia, junto con las fuerzas g y la aceleración centrípeta le dan al cuerpo ciertas sensaciones a medida que la montaña rusa sube, baja y rodea la pista. Las fuerzas que experimenta el ciclista cambian constantemente, lo que provoca sentimientos de alegría en algunos ciclistas y náuseas en otros.
Inicialmente, el automóvil se lleva a la cima de la primera colina y se suelta, momento en el cual rueda libremente a lo largo de la pista sin ninguna asistencia mecánica externa durante el resto del recorrido. El propósito del ascenso de la primera colina es acumular energía potencial que luego se convertirá en energía cinética a medida que avanza el recorrido. La colina inicial, o colina de elevación , es la más alta de todo el recorrido. A medida que el tren es arrastrado hacia la cima, gana energía potencial, como se explica en la siguiente ecuación de energía potencial :
donde U g es la energía potencial, m es la masa , g es la aceleración de la gravedad y h es la altura sobre el suelo. Por tanto, dos trenes de idéntica masa a diferentes alturas tendrán diferentes energías potenciales: el tren a mayor altura tendrá más energía potencial que un tren a menor altura. Esto significa que la energía potencial para el sistema de montaña rusa es mayor en el punto más alto de la pista o en la cima de la colina del ascensor. Cuando el tren de la montaña rusa comienza a descender desde la colina del ascensor, la energía potencial almacenada se convierte en energía cinética o energía de movimiento . Cuanto más rápido se mueve el tren, más energía cinética gana, como lo muestra la ecuación de energía cinética:
donde K es energía cinética , m es masa y v es velocidad. Como la masa de un vagón de montaña rusa permanece constante, si se aumenta la velocidad, la energía cinética también debe aumentar. Esto significa que la energía cinética del sistema de montaña rusa es mayor en la parte inferior de la pendiente descendente más grande de la pista, normalmente en la parte inferior de la colina de elevación. Cuando el tren comienza a subir la siguiente colina de la vía, la energía cinética del tren se convierte nuevamente en energía potencial, lo que disminuye la velocidad del tren. Este proceso de convertir energía cinética en energía potencial y nuevamente en energía cinética continúa con cada colina. La energía nunca se destruye, sino que se pierde por la fricción entre el automóvil y la pista, lo que detiene el vehículo por completo.
Al recorrer el circuito vertical de una montaña rusa , la inercia, que produce una fuerza de aceleración emocionante, también mantiene a los pasajeros en sus asientos. A medida que el automóvil se acerca a un circuito, la dirección de la velocidad inercial del pasajero apunta hacia adelante en el mismo ángulo que la vía que conduce al circuito. Cuando el automóvil entra en el circuito, la pista guía al automóvil hacia arriba, moviendo también al pasajero. Este cambio de dirección crea una sensación de gravedad adicional cuando el pasajero es empujado hacia el asiento.
En la parte superior del circuito, la fuerza de la aceleración del automóvil empuja al pasajero fuera del asiento hacia el centro del circuito, mientras que la inercia empuja al pasajero hacia el asiento. Las fuerzas de gravedad y aceleración empujan al pasajero en direcciones opuestas con fuerza casi igual, creando una sensación de ingravidez .
En la parte inferior del circuito, la gravedad y el cambio de dirección de la inercia del pasajero de una dirección vertical hacia abajo a una horizontal empujan al pasajero hacia el asiento, haciendo que el pasajero vuelva a sentirse muy pesado. La mayoría de las montañas rusas utilizan sistemas de sujeción , pero las fuerzas ejercidas por la mayoría de las montañas rusas invertidas evitarían que los pasajeros se cayeran.
Las fuerzas G (fuerzas gravitacionales) crean la llamada sensación de "mariposa" que se siente cuando un automóvil desciende por una pendiente. Una aceleración de 1 gravedad estándar (9,8 m/s 2 ) es la fuerza habitual de la atracción gravitacional de la Tierra ejercida sobre una persona mientras está parada. La medición del peso normal de una persona incorpora esta aceleración gravitacional. Cuando una persona se siente ingrávida en lo alto de un bucle o mientras baja una colina, está en caída libre . Sin embargo, si la cima de una colina tiene una curva más estrecha que una parábola , los ciclistas experimentarán G negativas y serán levantados de sus asientos, experimentando la llamada sensación de "mariposa".
Una montaña rusa de madera tiene una pista que consta de finas láminas de madera apiladas, con un riel plano de acero fijado al laminado superior. Los posavasos de acero utilizan rieles tubulares de acero, vigas en I o de sección en caja. La estructura portante de ambos tipos puede ser de acero o de madera. Tradicionalmente, las montañas rusas de acero empleaban inversiones para emocionar a los pasajeros, mientras que las montañas rusas de madera dependían de caídas pronunciadas y cambios bruscos de dirección para generar emociones. Sin embargo, los avances recientes en la tecnología de las montañas rusas han visto el aumento de montañas rusas híbridas de acero con estructuras de madera, un ejemplo es New Texas Giant en Six Flags Over Texas , y montañas rusas de madera que presentan inversiones, como Outlaw Run en Silver Dollar City .
Los principios básicos de la mecánica de las montañas rusas se conocen desde 1865, [ cita necesaria ] y desde entonces las montañas rusas se han convertido en una diversión popular.
A medida que se dispuso de mejor tecnología , los ingenieros comenzaron a utilizar herramientas de diseño computarizadas para calcular las fuerzas y tensiones a las que sometería a los pasajeros durante el viaje. Ahora se utilizan computadoras para diseñar montañas rusas seguras con restricciones especialmente diseñadas y materiales livianos y duraderos. Hoy en día, las vías tubulares de acero y las ruedas de poliuretano permiten que las montañas rusas viajen a más de 160 km/h (100 millas por hora), mientras que se siguen construyendo montañas rusas aún más altas, más rápidas y más complejas.
En su nivel más básico, esto es todo lo que es una montaña rusa: una máquina que utiliza la gravedad y la inercia para enviar un tren a lo largo de una vía sinuosa.
