Achtbanen zijn misschien braak- en traanopwekkende machines, maar het zijn ook fascinerende voorbeelden van complexe natuurkunde op het werk.

Om een ​​reeks auto's door een knoop van vallen, salto's, rollen en lanceringen te krijgen, zijn teams van werktuigbouwkundigen nodig die concepten als krachten, versnelling en energie analyseren. Om een ​​idee te krijgen van de wetenschap achter onze favoriete attracties, spraken we met Jeffrey Rhoads, een professor aan Purdue's School of Mechanical Engineering en maker van de achtbaandynamica-klas van de universiteit.

Het circuit voltooien

Laten we beginnen met de basis. Achtbanen moeten, net als al het andere, voldoen aan de wet van behoud van energie, wat betekent dat de trein alleen zo snel en zo ver kan gaan als de hoeveelheid opgeslagen (potentiële) energie toelaat.

Potentiële energie komt meestal door de trein met een ketting of kabel een heuvel op te tillen. Als een trein een heuvel afrijdt, verandert de potentiële energie in bewegende (kinetische) energie; hoe sneller de trein gaat, hoe meer kinetische energie hij heeft.

De kinetische energie wordt weer omgezet in potentiële energie als de auto's de volgende heuvels bestijgen. Omdat de auto's noodzakelijkerwijs wat energie verliezen door krachten als wrijving en luchtweerstand, het hoogste punt op een traditionele achtbaan (denk aan: Six Flags Magic Mountain's Goliath of Twisted Colossus ritten) is bijna altijd de eerste heuvel. Als er nog een grote drop hoger komt dan de eerste, voegen de ontwerpers meer liften toe (denk aan: de grote drop aan het einde van Disney's Splash Mountain).

Sommige onderzetters zakken verder dan 90 graden en buigen naar binnen op de top van de liftheuvel, zoals op Valravn in Cedarpoint. De fysica in het spel is hetzelfde, maar Rhoads zegt dat deze druppels een meer acuut gevoel van gewichtloosheid kunnen geven.

Andere achtbanen, zoals Kingda Ka van Six Flags Great Adventure of Top Thrill Dragster van Cedar Point, slaan hun energie op in draagraketten, door vloeistof of luchtdruk aangedreven flipperkasten, of in elektromagneten die in de baan en auto's zijn ingebouwd. Lanceeronderzetters hebben geen gigantische liftheuvels nodig (wat veel ruimte bespaart) en bieden een ander soort anticiperende sensatie. Grote parken willen een verscheidenheid aan rijervaringen en lanceeronderzetters zijn een geweldige manier om het gevoel te veranderen, zegt Rhoads.

Loops, Flips en Turns

Ingenieurs wekken spanning op door te accelereren, waardoor de snelheid van de rijder op zeer geavanceerde, onnatuurlijke manieren verandert. Coaster-ingenieurs doen een beroep op de bewegingswetten van Newton om rijders de gecombineerde krachten van zwaartekracht en versnelling te laten voelen, wat een opwindend, ongewoon lichaamsgevoel oplevert. Lussen, kurkentrekkers en scherpe bochten dwingen rijders' lichamen verticaal en horizontaal op berekende manieren.

Heb je je ooit afgevraagd waarom lussen druppelvormig zijn in plaats van cirkelvormig? De uitdaging is om de overgangen in en uit de lus te ontwerpen', zegt Rhoads. 'Je moet ervoor zorgen dat je geen schokken veroorzaakt, of veranderingen in de versnelling die tot een whiplash kunnen leiden. Alles wat in een cirkelvormige beweging beweegt, ervaart een ander soort versnelling, centripetale versnelling genaamd, die toeneemt naarmate de auto sneller gaat, of hoe kleiner de cirkel is. Een cirkelvormige lus zou een schok veroorzaken door de plotselinge toevoeging van de centripetale versnelling. Een traanvorm regelt die versnelling, waardoor de rijder gemakkelijker door de lus gaat en schokken wordt voorkomen.

En dan zijn er rollen, die rijders op verschillende manieren kunnen desoriënteren. Inline-wendingen zijn rollen die treinen rond de baan laten draaien, maar hartlijnrollen proberen rijders rond hun borst te draaien. Kolossus in Thorpepark (hierboven) is het beste voorbeeld van hartlijnrollen op het werk - de rit van 90 seconden heeft 10 inversies, waaronder vier opeenvolgende hartlijnrollen. We zullen meer [onderzetters met] meerdere rollen in serie achter elkaar zien, zei Rhoads, omdat het een enorme hoeveelheid desoriëntatie veroorzaakt.

Hout versus staal

Houten onderzetters kunnen niet zo goed lussen opnemen, dus ze zijn vaak minder desoriënterend dan hun stalen tegenhangers. Dus waarom geven sommige rijders er de voorkeur aan? Mensen... houden van de anticipatie, de gammelheid van hen die hen een beetje versterkt. Ze willen het gevoel hebben dat de structuur onder hen beweegt, zegt Rhoads. Stalen onderzetters zijn bijna precies het tegenovergestelde. Het is als het besturen van een antiek voertuig versus het besturen van de nieuwste sportwagen.

Houten achtbanen hebben meestal geen lussen of rollen, omdat er veel te veel hout voor nodig is om de kracht van een zware achtbaantrein te ondersteunen. Hades 360 op Mt. Olympus in Wisconsin ondersteunt een rol op houten rails met stalen steigers.

Onderzetters van de volgende generatie

Er zijn maar zoveel manieren waarop je mensen in kleine karren kunt rondslingeren door ze op, neer en ondersteboven te sturen. Sommige ritbouwers creëren compartimenten die onafhankelijk van de auto's rollen, cirkelende assen loodrecht op de baan, wat meer salto's toevoegt zonder dat er meer lussen nodig zijn. Je kunt dit echt zien op The Joker bij Six Flag's Great Adventure (onder).

Achtbaanervaringen zijn echter meer dan alleen de som van hun versnellingen. Andere bouwers voegen lichten, rook toe, sturen onderzetters ondergronds en voegen kop- en voethelikopters toe, close-maar-niet-te-close bars die een extra element van spanning en/of terreur bieden. Dat is het traject dat we nog een tijdje zullen volgen, zei Rhoads. Groter en sneller zal niet veel langer mogelijk zijn.