La Physique Derrière Vos Montagnes Russes Préférées

Les montagnes russes peuvent être des machines à sensations qui provoquent des vomissements et des larmes, mais elles sont aussi des exemples fascinants de physique complexe au travail.

Obtenir une chaîne de voitures à travers un nœud de gouttes, de retournements, de jets et de lancements nécessite des équipes d'ingénieurs en mécanique analysant des concepts tels que les forces, l'accélération et l'énergie. Pour avoir une idée de la science derrière nos manèges préférés, nous avons parlé à Jeffrey Rhoads, professeur à la School of Mechanical Engineering de Purdue et créateur de la classe de dynamique des montagnes russes de l'université.

Compléter le circuit

Commençons par les bases. Les montagnes russes, comme tout le reste, doivent respecter la loi de conservation de l'énergie, ce qui signifie que le train ne peut aller aussi vite et aussi loin que la quantité d'énergie (potentielle) stockée le permet.

L'énergie potentielle provient généralement de la montée du train en haut d'une colline avec une chaîne ou un câble. À mesure que le train descend une colline, l’énergie potentielle se transforme en énergie (cinétique) en mouvement; plus le train va vite, plus il a d'énergie cinétique.

L'énergie cinétique redevient de l'énergie potentielle lorsque les voitures montent dans les collines suivantes. Parce que les voitures perdent nécessairement de l'énergie à cause de forces telles que la friction et la traînée d'air, le point culminant d'un caboteur traditionnel (pensez à Goliath ou Twisted Colossus) est presque toujours la première colline. S'il y a une autre chute majeure qui arrive plus haut que la première, les concepteurs ajoutent plus d'ascenseurs (pensez à la grosse chute à la fin de la Splash Mountain de Disney).

Nicole Mays / Flickr (cc par 2.0)

Certains côtes tombent plus loin que les degrés 90, se courbant vers le haut de la colline, comme sur Valravn à Cedar Point. La physique en jeu est la même, mais Rhoads dit que ces gouttes peuvent offrir un sentiment plus aigu d'apesanteur.

D'autres caboteurs, tels que Kingda Ka de Six Flags Great Adventure ou Top Thrill Dragster de Cedar Point, stockent leur énergie dans des lanceurs, des flippers plongeurs à pression d'air ou à fluide, ou dans des électroaimants intégrés à la piste et aux voitures. Les caboteurs de lancement ne nécessitent pas de colossales élévations (ce qui économise beaucoup d'espace) et offrent un autre type de sensations anticipées. «Les grands parcs veulent une variété d’expériences de motocyclistes et lancer des caboteurs est un excellent moyen de changer la sensation», explique Rhoads.

Boucles, Flips et Turns

Les ingénieurs génèrent des sensations fortes grâce à l'accélération: ils modifient essentiellement la vitesse des coureurs de manière artificielle et hautement sophistiquée. Les ingénieurs du caboteur font appel aux lois du mouvement de Newton pour amener les cyclistes à ressentir les forces combinées de la gravité et de l'accélération, ce qui produit une sensation de corps excitante et inhabituelle. Les boucles, les tire-bouchons et les virages serrés forcent les corps des cavaliers verticalement et horizontalement de manière calculée.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les boucles sont en forme de larme plutôt que circulaires? "Le défi consiste à concevoir les transitions dans et hors de la boucle», dit Rhoads. «Vous devez vous assurer que vous n'induisez pas de secousse», ou des changements dans l'accélération qui peuvent conduire à un coup de fouet. Tout mouvement dans un mouvement circulaire subit une autre sorte d'accélération appelée accélération centripète, qui augmente plus la vitesse de la voiture est grande ou plus le cercle est petit. Une boucle circulaire provoquerait un choc dû à l'ajout soudain de l'accélération centripète. Une forme en forme de goutte contrôle cette accélération, facilitant le passage du pilote et évitant les secousses.

Howard Sayer / Getty Images

Et puis il y a des jets qui peuvent désorienter les coureurs de plusieurs manières. Les torsions en ligne sont des jets qui font tourner les trains autour de la piste, mais les jets de cœur essayent de faire pivoter les coureurs autour de leur poitrine. Colossus in Thorpe Park (ci-dessus) est le meilleur exemple de vol de cœur au travail: le tour 90-second propose des inversions 10, dont quatre tirs de cœur consécutifs. «Nous verrons plus de [caboteurs avec] plusieurs rouleaux en série les uns après les autres», a déclaré Rhoads, «car cela crée une énorme désorientation.»

Bois contre acier

Les caboteurs en bois ne peuvent pas très bien accueillir les boucles, donc ils sont souvent moins désorientants que leurs homologues en acier. Alors pourquoi certains coureurs les préfèrent-ils? «Les gens, comme l'anticipation, la rachitisme de ceux qui les amènent un peu. Ils veulent avoir l'impression que la structure bouge sous eux », explique Rhoads. «Les caboteurs d’acier sont presque l’exact opposé. C'est comme conduire un véhicule ancien plutôt que de conduire la voiture de sport la plus récente.

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Les caboteurs en bois ont tendance à ne pas avoir de boucles ou de rouleaux, car il faudrait beaucoup trop de bois pour supporter la force d’un train de montagnes russes. Hadès 360 au mont. Olympus dans le Wisconsin prend en charge un rouleau sur des pistes en bois avec des échafaudages en acier.

Coasters de nouvelle génération

Il n’ya que de nombreuses manières de faire voyager les gens dans de petites chariots en les envoyant de haut en bas et de haut en bas. Certains constructeurs créent des compartiments qui roulent indépendamment des voitures, en encerclant les axes perpendiculairement à la piste, ce qui ajoute davantage de retournements sans avoir besoin de plus de boucles. Vous pouvez vraiment voir cela sur The Joker at Six Flag's Great Adventure (ci-dessous).

Les expériences de montagnes russes sont plus que la somme de leurs accélérations. D'autres constructeurs ajoutent de la lumière, fument, envoient les caboteurs sous terre et ajoutent des «têtes» et des «hachoirs à pied», des barres proches mais pas trop proches qui procurent un élément supplémentaire de frisson et / ou de terreur. "C'est la trajectoire que nous allons suivre pendant un moment", a déclaré Rhoads. "Plus grand et plus rapide ne sera pas possible pour beaucoup plus longtemps."