De fysica van achtbanen is zowel complex als eenvoudig, maar zonder de invloed van deze tak van wetenschap zouden deze verbazingwekkende kermisattracties geen centimeter bewegen.
Wat is natuurkunde?
Natuurkunde is de studie van materie en energie en hoe verschillende krachten van beide op elkaar inwerken en elkaar beïnvloeden. Van zwaartekracht tot versnelling tot wrijving: natuurkunde is de belangrijkste wetenschap achter de succesvolle werking van alle achtbanen. Of een rit nu een eenvoudige kinderachtbaan is of een uitgebreide schreeuwmachine, ze moeten allemaal dezelfde natuurkundige principes volgen voor een veilige, efficiënte werking.
Fysica van achtbanen: sleutelbegrippen
Het meest fundamentele natuurkundige uitgangspunt dat van invloed is op achtbanen is het adagium 'wat omhoog gaat, moet ook naar beneden komen'. Het proces van hoe dat ‘naar beneden komen’ wordt verdraaid in lussen, bochten, heuvels en inversies vereist echter meer gespecialiseerde kennis. De belangrijkste concepten van de achtbaanfysica zijn onder meer:
- Zwaartekracht: Zwaartekracht is de kracht die alle objecten naar het centrum van de aarde trekt en is het allerbelangrijkste natuurkundige concept met betrekking tot achtbanen. In wezen zorgt de zwaartekracht ervoor dat zodra een achtbaan zich losmaakt van de initiële kettinglift of voortstuwingskracht, hij zijn traject langs de baan voltooit. De zwaartekracht wordt door rijders ook gevoeld in termen van zowel positieve als negatieve krachten die rijders dieper in hun stoel lijken te duwen of eruit trekken, een opwindende sensatie waar veel sensatiezoekers van genieten.
- Potentiële energie en kinetische energie: Deze twee verwante concepten bepalen de veranderingen in de snelheid en hoogte van een achtbaan. Simpel gezegd: hoe hoger een object van de grond is, hoe meer potentiële energie het heeft - dat wil zeggen het potentieel om snelheid te winnen als het v alt. Terwijl het naar de grond v alt, verandert die potentiële energie in kinetische energie, of bewegingsenergie. De som van de twee soorten energie is constant, maar een achtbaan moet een adequate balans tussen potentiële en kinetische energieën behouden om een spannende rit te kunnen bieden.
- Acceleration: Vaak verward met snelheid, is versnelling eigenlijk een verandering in snelheid - wat een verandering in snelheid of richting kan zijn. Daarom versnelt een achtbaan door lussen en bochten, zelfs als de snelheid constant blijft.
- Wrijving: Fysische formules en berekeningen moeten wrijving bevatten als een sleutelfactor voor achtbanen, omdat wrijving een kracht is die een rit aanzienlijk kan vertragen. Contact tussen de trein en de lucht en tussen de wielen en het spoor zorgen allemaal voor wrijving tijdens de rit.
Aanvullende natuurkundeconcepten
Naast deze sleutelprincipes voor de fysica van achtbanen, zijn er ook andere natuurkundige concepten die van invloed zijn op de werking van achtbanen en die even belangrijk zijn voor een veilige, leuke rit.
- Pressure: Veel achtbaanremsystemen worden bediend door luchtdruk, en die druk moet voldoende zijn om zowel lege als beladen treinen te stoppen zonder passagiers te verwonden of teveel druk uit te oefenen op de ritstructuur.
- Optica: Optische sensoren helpen computersystemen te bepalen waar de rit is en hoe deze werkt.
- Magnetisme: Veel hightech attracties gebruiken elektromagneten als een vorm van voortstuwing of remmen, en de magneten moeten nauwkeurig worden getimed en gekalibreerd voor een veilige werking.
- Elektriciteit: Goede elektriciteit is essentieel voor achtbanen, van het daadwerkelijk uitvoeren van de rit tot het aandrijven van de lichten die de rit versieren.
Meer wetenschappelijke benodigdheden
Natuurkunde is niet de enige wetenschap die nodig is voor een soepel werkende, spannende achtbaan. Wanneer een attractie wordt ontworpen, moeten ingenieurs en parkfunctionarissen ook rekening houden met:
- Biologie: De invloed van de stress tijdens de rit op de rijder is een belangrijke factor bij het al dan niet plezierig of pijnlijk zijn van de rit. Een zeer slecht ontworpen rit kan zelfs leiden tot black-outs, hoofdpijn en andere verwondingen.
- Geologie: Moderne stalen achtbanen wegen honderden tonnen, en een scherp begrip van de geologie van het park is noodzakelijk om de achtbaan op een stabiel, ondersteunend oppervlak te plaatsen. Cedar Point is een voorbeeld van een park dat hier bijzondere aandacht aan moet besteden, aangezien de zeventien achtbanen langs de oever van een meer en rond een moerassige lagune zijn geplaatst.
- Klimatologie: Het klimaat waarin een rit is gebouwd, kan grote invloed hebben op de soorten materialen die voor de constructie ervan worden gebruikt.
- Psychologie: Hoe een rit wordt genoemd, ingericht en gepromoot vereist een gedetailleerd begrip van de psychologie om rijders aan te trekken.
Natuurkunde studeren met achtbanen
Omdat er zoveel wetenschappelijke concepten worden gebruikt om een achtbaan te ontwerpen, bouwen en exploiteren, organiseren veel pretparken Natuurkundedag-evenementen en nodigen lokale scholen uit om hun kennis te testen aan de hand van de attracties in het park. Natuurkundeleraren kunnen van leerlingen eisen dat ze snelheden, hoeken, snelheid, versnelling en andere achtbaanfeiten meten om vragen te beantwoorden, terwijl sommige parken wedstrijden aanbieden voor aspirant-achtbaaningenieurs om hun eigen attracties te ontwerpen en modellen te bouwen. Dit kan een leuk en leerzaam evenement zijn voor natuurkundestudenten van de basisschool tot het universitair niveau.
Aanvullende bron
Geïnteresseerd in meer informatie over de fysica van achtbanen? Probeer de online Funderstanding Roller Coaster, waar je de afmetingen van heuvels, verticale loopings, wrijvings- en zwaartekrachtkrachten kunt aanpassen, massa's kunt trainen en andere factoren om natuurkundige concepten in actie te zien.
