Berg-och dalbanor kan vara kräk- och tårframkallande spänningsmaskiner, men de är också fascinerande exempel på komplex fysik på jobbet.

För att få en rad bilar genom en knut av droppar, vänder, rullar och lanserar krävs team av mekaniska ingenjörer som analyserar koncept som krafter, acceleration och energi. För att få en uppfattning om vetenskapen bakom våra favoritturer, pratade vi med Jeffrey Rhoads, professor vid Purdues School of Mechanical Engineering och skapare av universitetets dynamikklass för berg-och dalbana.

Slutför kretsen

Låt oss börja med grunderna. Berg-och dalbanor, som allt annat, måste följa lagen om bevarande av energi, vilket innebär att tåget bara kan gå så fort och så långt som den lagrade (potentiella) energin tillåter.

Potentiell energi kommer vanligtvis från att lyfta tåget uppför en kulle med en kedja eller kabel. När ett tåg färdas nerför en kulle förvandlas den potentiella energin till rörlig (kinetisk) energi; ju snabbare tåget går, desto mer kinetisk energi har det.

Den kinetiska energin förvandlas till potentiell energi när bilarna stiger upp i efterföljande backar. Eftersom bilarna nödvändigtvis tappar lite energi genom krafter som friktion och luftmotstånd, den högsta punkten på en traditionell dalbana (tänk: Six Flags Magic Mountain's Goliat eller Twisted Colossus rider) är nästan alltid den första kullen. Om det finns en annan stor droppe som kommer högre än den första, lägger designarna till fler hissar (tänk: den stora droppen i slutet av Disneys Splash Mountain).

Vissa underlägg faller längre än 90 grader och böjer sig inåt längst upp på liftkullen, som på Valravn i Cedar Point. Fysiken i spel är densamma, men Rhoads säger att dessa droppar kan erbjuda en mer akut känsla av viktlöshet.

Andra underlägg, som Six Flags Great Adventure's Kingda Ka eller Cedar Point's Top Thrill Dragster, lagrar sin energi i bärraketer, flytande eller lufttrycksdrivna flippkolvar eller i elektromagneter inbyggda i banan och bilar. Lanseringsunderlägg kräver inte gigantiska liftkullar (vilket sparar mycket utrymme) och erbjuder en annan typ av förväntande spänning. Stora parker vill ha en mängd olika ryttarupplevelser och lanseringsunderlägg är ett bra sätt att förändra känslan, säger Rhoads.

Slingor, vändningar och vändningar

Ingenjörer genererar spänning genom acceleration - i grunden förändrar förarens hastighet på högt konstruerade, onaturliga sätt. Underläggsingenjörer uppmanar Newtons rörelselag för att få förare att känna de kombinerade tyngdkrafterna och accelerationen, vilket ger en spännande, ovanlig kroppskänsla. Slingor, korkskruvar och snäva svängar tvingar ryttare & apos; kroppar vertikalt och horisontellt på beräknade sätt.

Har du någonsin undrat varför öglor är i form av en dropp, snarare än cirkulära? Utmaningen är att utforma övergångarna till och ur slingan, säger Rhoads. 'Du måste se till att du inte framkallar ryck eller förändringar i acceleration som kan leda till whiplash. Allt som rör sig i en cirkelrörelse upplever en annan typ av acceleration som kallas centripetal acceleration, vilket ökar ju snabbare bilen går, eller ju mindre cirkeln är. En cirkulär slinga skulle orsaka ett ryck från den plötsliga tillägget av centripetalacceleration. En droppform kontrollerar accelerationen, underlättar föraren genom öglan och förhindrar ryck.

Och sedan finns det rullar, som kan desorientera förare på flera sätt. Inline-vändningar är rullar som roterar tåg runt banan, men hjärtlinjer försöker rotera förare runt bröstkorgen. Koloss i Thorpe Park (ovan) är det bästa exemplet på hjärtlinjerullar på jobbet - 90-sekundersresan har 10 inversioner, inklusive fyra hjärtlinjer i rad. Vi kommer att se fler [underlägg med] flera rullar i serie efter varandra, sade Rhoads, eftersom det skapar en enorm desorientering.

Trä Versus Steel

Träunderlägg rymmer inte öglor mycket bra, så de är ofta mindre desorienterande än deras motsvarigheter i stål. Så varför är det så att vissa förare föredrar dem? Människor ... som förväntan, den skräckaktiga av dem som förstärker dem lite. De vill känna att strukturen rör sig under dem, säger Rhoads. Stålunderlägg är nästan exakt motsatsen. Det är som att köra ett antikt fordon kontra att köra den nyaste sportbilen.

Träunderlägg tenderar inte att ha öglor eller rullar, eftersom det skulle ta alltför mycket trä för att stödja kraften från ett tungt berg-och dalbana. Hades 360 vid Mt. Olympus i Wisconsin stöder en rulle på träspår med stålställningar.

Nästa generations underlägg

Det finns bara så många sätt du kan slänga folk i små vagnar genom att skicka dem upp, ner och upp och ner. Vissa åkbyggare skapar fack som rullar oberoende av bilarna och cirklar axlar vinkelrätt mot banan, vilket ger fler vändningar utan att behöva fler slingor. Du kan verkligen se detta på The Joker vid Six Flag's Great Adventure (Nedan).

Berg-och dalbanaupplevelser är dock mer än bara deras accelerationer. Andra byggare lägger till ljus, röker, skickar underlägg under jorden och lägger till huvud- och fothackare, nära men inte alltför nära barer som ger ett extra inslag av spänning och / eller skräck. Det är banan som vi kommer att följa ett tag, sa Rhoads. Större och snabbare kommer inte att vara möjligt mycket längre.