風馳電掣的雲霄飛車

文/簡麗賢  |2022.08.03
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圖/克拉克

文/簡麗賢 

搭雲霄飛車的心情,既期待又怕受傷害。體驗風馳電掣的雲霄飛車,在重力作用驚聲尖叫的刺激感,不少人趨之若鶩。根據美國遊樂園協會的統計資料,在新冠疫情爆發前,例如2016年,造訪美國近400家遊樂園,搭乘雲霄飛車的遊客近3.8億人,可見雲霄飛車的魅力驚人。

改良雪橇 發揚光大

相傳設計雲霄飛車的靈感,始自俄羅斯冬季斜坡道雪橇活動,後來腦筋動得快的商人引進法國,結合輪子和小車取代雪橇,打蠟的軌道變成另一種滑雪道。

根據歷史記載,世界第一座遊樂園雲霄飛車誕生於1817年法國巴黎,引領風騷,其軌道材料以木頭為主,輪子和小車緊密地固定在軌道,避免因車速過快,向心力不足而脫離軌道。

後來,改良雲霄飛車的設計者繼續發揚光大,創造出驚悚的坡道和曲折的彎道。1873年,一群創意十足的人在美國賓州的一處礦區,讓改造的礦車展現風馳電掣的速率,在山間奔馳;滑到終點時,再由驢子把礦車拉回山上的出發點,乘客再搭礦車向下高速運動。這項在美國賓州的礦區,以驢子為拉車的動力,可說是雲霄飛車的雛型。

歷史上記載,最早提出申請設計、建造和營運雲霄飛車的專利,由被讚譽「重力應用之父」的湯普森(LaMarcus Adna Thompson)在1884年取得,他曾製造過十餘項雲霄飛車設施,以在紐約開通和營運的雲霄飛車而言,當時可以為他賺進每日60美元的營利。

運用重力 開啟商機

之後,湯普森的雲霄飛車引起商人高度興趣,陸續在其他國家建造雲霄飛車,逐漸掀起全球遊樂園雲霄飛車的風潮,20世紀初,數量高達2000餘座的高峰期,後來有些因戰火或遊樂園關閉而銷聲匿跡。能遺留的經典雲霄飛車,最著名的應是1920年運行的美國賓州雲霄飛車。

加州迪士尼樂園著名的雲霄飛車,是一座於1959年以全新鋼鐵材料製造,近乎光滑軌道的雲霄飛車,帶動其他遊樂園經營者的改變思惟,以鋼鐵取代木質的軌道,加強承擔重力的設施,開發倒掛車廂的形式,強化速度奔馳感,建造更高聳更驚險的彎道,並加入電腦程式設計,提升飛車的安全性。

牛頓力學 能量轉換

雲霄飛車的運作,應用牛頓力學向心力及能量轉換的概念。

飛車最初上坡時,需要電力帶動運輸帶,將車廂運輸至高處,這段期間消耗電能,將電能轉變為動能與重力位能,亦即力學能;之後,高處不勝寒,乘客在最高處往往不寒而慄,接著,飛車俯衝而下,乘客尖叫連連,這段往下俯衝的過程,不需要耗用電力,由高處的重力位能扮演發動機,由位能轉變成動能,造成車廂高速;再由動能轉變為重力位能,如此不斷轉換能量,構成雲霄飛車的動力。

鋼鐵軌道雖減少摩擦力,但雲霄飛車設計如水滴形狀的鉛直圓形軌道,車廂最初的高度必須大於圓周半徑的2.5倍,雲霄飛車才可順利通過圓周最高點。換句話說,車廂在軌道最低點的速率和動能要夠大,大於某一個特定值,才能使車廂完整鉛直面圓周運動,滿足乘

客風馳電掣的快感。

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