הפיסיקה של רכבות הרים מורכבת ופשוטה כאחד, אבל ללא השפעתו של ענף המדע הזה, טיולי השעשועים המדהימים האלה לא יזוזו מילימטר.
מהי פיזיקה?
פיזיקה היא חקר החומר והאנרגיה וכיצד כוחות שונים מכל אחד מקיימים אינטראקציה ומשפיעים זה על זה. מכוח המשיכה לתאוצה ועד חיכוך, פיזיקה היא מדע המפתח מאחורי הפעולה המוצלחת של כל רכבות ההרים. בין אם הנסיעה היא רכבת ילדים פשוטה או מכונת צרחות משוכללת, כולם חייבים לפעול לפי אותם עקרונות פיזיקה לפעולה בטוחה ויעילה.
פיסיקה של רכבות הרים: מושגי מפתח
הנחת היסוד הפיזיקלית הבסיסית ביותר שמשפיעה על רכבות הרים היא הפתגם "מה שעולה חייב לרדת". עם זאת, התהליך של ה" ירידה" ההוא מתפתל ללולאות, עיקולים, גבעות והיפוכים, דורש ידע מיוחד יותר. מושגי הפיזיקה העיקריים של תחתית כוללים:
- גרביטציה: כוח הכבידה הוא הכוח שמושך את כל העצמים לכיוון מרכז כדור הארץ והוא הרעיון הפיזיקלי החשוב ביותר הקשור לרכבות הרים. למעשה, ברגע שרכבת הרים מתנתקת מהרמת השרשרת הראשונית או מכוח ההנעה, כוח הכבידה מבטיח שהיא משלימה את דרכה לאורך המסילה. כוח הכבידה מורגש גם על ידי הרוכבים במונחים של כוחות חיוביים ושליליים שנראה כי הם דוחפים את הרוכבים עמוק יותר לתוך המושבים שלהם או מושכים אותם למעלה מהם, תחושה מרגשת שרבים מחפשי ריגושים מתענגים עליה.
- אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה קינטית: שני מושגים קשורים אלה קובעים את השינויים במהירות ובגובה של רכבת תחתית.במילים פשוטות, ככל שאובייקט גבוה יותר מהקרקע, כך יש לו יותר אנרגיה פוטנציאלית - כלומר פוטנציאל לצבור מהירות כשהוא נופל. כשהיא נופלת לכיוון האדמה, האנרגיה הפוטנציאלית הזו משתנה לאנרגיה קינטית, או אנרגיה של תנועה. הסכום של שני סוגי האנרגיה הוא קבוע, אבל רכבת הרים חייבת לשמור על איזון הולם של אנרגיות פוטנציאליות וקינטיות כדי לספק נסיעה מרגשת.
- Acceleration: לעתים קרובות מבולבלים עם מהירות, תאוצה היא למעשה שינוי במהירות - שיכול להיות שינוי במהירות או בכיוון. לכן, רכבת הרים מאיצה דרך לולאות ועיקולים גם אם מהירותה נשארת קבועה.
- חיכוך: נוסחאות וחישובים בפיזיקה חייבים לכלול חיכוך כגורם מפתח לרכבות הרים, מכיוון שחיכוך הוא כוח שיכול להאט משמעותית את הנסיעה. מגע בין הרכבת לאוויר ובין הגלגלים למסילה כולם מטילים חיכוך בנסיעה.
מושגי פיזיקה נוספים
בנוסף לעקרונות המפתח הללו לפיזיקה של רכבות הרים, מושגי פיזיקה אחרים משפיעים גם הם על אופן הפעולה של רכבות הרים והם קריטיים באותה מידה לנסיעה בטוחה ומהנה.
- לחץ: מערכות בלימת רכבות הרים רבות מופעלות על ידי לחץ אוויר, ולחץ זה חייב להספיק כדי לעצור גם רכבות ריקות וגם עמוסות מבלי לפגוע בנוסעים או להפעיל לחץ רב מדי על מבנה הנסיעה.
- אופטיקה: חיישנים אופטיים עוזרים למערכות מחשב לשלוט היכן הנסיעה וכיצד היא פועלת.
- מגנטיות: רכיבות היי-טק רבות משתמשות באלקטרומגנטים כסוג של הנעה או בלימה, ועל המגנטים להיות מתוזמן ומכויל במדויק לפעולה בטוחה.
- חשמל: חשמל תקין חיוני לרכבות הרים, החל מהפעלת הנסיעה ועד הפעלת האורות המקשטים אותה.
צרכי מדע נוספים
פיזיקה היא לא המדע היחיד הדרוש לרכבת הרים מרגשת הפועלת בצורה חלקה. כאשר מתוכננת נסיעה, מהנדסים ופקידי הפארק חייבים לשקול גם:
- Biology: כיצד הלחצים של הנסיעה ישפיעו על הרוכבים הוא גורם מרכזי בשאלה האם הנסיעה מהנה או לא כואבת. רכיבה מעוצבת בצורה גרועה יכולה אפילו להוביל להפסקות, כאבי ראש ופציעות אחרות.
- Geology: רכבות הרים מודרניות מפלדה שוקלות מאות טונות, ויש צורך בהבנה מעמיקה של הגיאולוגיה של הפארק כדי למקם את הרכבת על משטח יציב ותומך. סידר פוינט הוא דוגמה לפארק שחייב לשים לב לכך במיוחד, שכן שבע עשרה רכבות ההרים שלו ממוקמות לאורך חוף האגם ומסביב ללגונה ביצתית.
- קלימטולוגיה: האקלים בו רכיבה בנויה יכול להשפיע רבות על סוגי החומרים המשמשים לבנייתו.
- פסיכולוגיה: איך קוראים לרכיבה, מקושטת ומקודמת מצריכה הבנה מפורטת של הפסיכולוגיה כדי למשוך רוכבים.
לימוד פיזיקה עם רכבות הרים
בגלל שיש כל כך הרבה מושגים מדעיים המשמשים לתכנון, בנייה ותפעול של רכבת הרים, פארקי שעשועים רבים מארחים אירועי יום הפיזיקה ומזמינים בתי ספר מקומיים לבחון את הידע שלהם מול הרכיבות בפארק. מורים לפיזיקה עשויים לדרוש מהתלמידים למדוד מהירויות, זוויות, מהירות, תאוצה ועובדות אחרות על רכבת הרים כדי לענות על שאלות, בעוד שפארקים מסוימים מציעים תחרויות למהנדסי רכבות הרים שואפים לתכנן נסיעות משלהם ולבנות דגמים. זה יכול להיות אירוע מהנה ומלמד עבור תלמידי פיזיקה מבית הספר היסודי ועד לרמות מכללות.
משאב נוסף
מעוניינים ללמוד עוד על הפיזיקה של רכבות הרים? נסה את רכבת ההרים Funderstanding המקוונת, שבה תוכל להתאים את גדלים של גבעות, לולאות אנכיות, כוחות חיכוך וכוח משיכה, לאמן מסות וגורמים אחרים כדי לראות מושגי פיזיקה בפעולה.
