游乐园中的物理学分析.docx
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游乐园中的物理学分析
对“游乐场中的物理学”课题的探讨与研究
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结题时间：
一、过山车
过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。
那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。
如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。
实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。
如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。
这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。
当然，如果你受身体条件和心理承受能力的限制，无法亲身体验过山车带来的种种感受，你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。
在刚刚开始时，过山车的小列车是依靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。
事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。
第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，它是由于物体和地球的引力相互作用而产生的。
对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。
当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但能量不会消失，而是转化成了动能，也就是运动的能量。
不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和势能）。
这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘略矮一点的原因。
过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。
事实上，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。
因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。
这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向。
尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨飞出去。
车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动。
过山车的竖直立环是一种离心机装置，当列车接近回环时，乘客的惯性速度笔直地指向前方。
但车厢一直沿轨道行进，使乘客的身体无法按直线运动。
于是重力推着乘客离开车厢的地板，而惯性则将乘客向地板方向挤压。
乘客本身的外向惯性产生惯性力，使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢的底部。
当然乘客需要某种安全护具来保证自己的安全，但在大多数大回环中，无论有没有护具，乘客都会停留在车厢中。
当列车沿着回环移动时，作用在乘客身上的合力在不断地变化。
在回环的最底部，因为加速度朝上，所以轨道对游客向上的支撑力要大于重力，此时游客可以感觉到超重的现象，即感觉特别沉重。
当一路冲上回环时，重力则把乘客向地板的方向推。
所以乘客会感到重力将您向座位方向挤压。
在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力以及轨道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力和重力仅与离心力平衡，即提供运动所需的向心力，此时若是飞车的速度较小，小到所产生的离心力小于重力的话，飞车就会有掉落的危险，所以，在回环顶部的时候要求有一定的速度以保证安全。
同时也是由于离心力的存在，抵消了一部分重力，于是乘客会产生失重现象，感觉身体变得极轻。
等列车驶出回环，沿水平方向行进，乘客又会回到原来的重力。
大回环的魅力在于，它在短短的一段轨道中塞进了丰富的元素。
在几秒钟内，作用在乘客身上的力不断变化，从而让人体验到各种不同的感觉。
当这些力作用于身体的各个部位时，眼睛会看到整个世界都倒了过来。
对于许多过山车乘客而言，在回环顶部是整个运行过程中最精彩的一刻，人们会感到身体轻如羽毛，眼中只能看到天空。
在大回环中，竖直加速度的强度是由两个因素决定的：
列车的速度和弯道的角度。
当列车进入回环时，它拥有最大的动能，也就是说，它以最快的速度移动。
在回环的顶部，重力已经在一定程度上降低了列车的速度，所以列车拥有更多的势能，但动能减少了，也就是说它以较低的速度移动，但速度不能够低于某一个安全行驶的速度。
过山车的设计师们最早采用的是正圆形回环。
在这种设计中，一路上的弯道角度是一个常数。
为了在回环顶部产生足够的竖直加速度以压迫列车紧贴轨道，设计师们必须让列车以相当快的速度进入回环（如此可使列车在回环顶部仍能快速行进）。
更快的速度意味着乘客在进入回环时会受到更大的作用力，而这可能会让乘客很不舒服。
水滴形设计使这些力的平衡变得更加容易。
回环顶部的弯道角度比回环侧面更急促。
这样可以让列车以足够快的速度穿过回环，使之在回环顶部拥有充足的加速力，而且水滴形设计会在侧面产生较小的竖直加速度。
这提供了维持过山车一切运行所需的力，而不致将过大的力施加在可能有危险的部位。
一旦过山车走完了它的行程，制动装置就会非常安全地使过山车停下来。
减速的快慢是由气缸中气体的压力来控制的。
二、碰碰车
碰碰车是一种机动游戏设施。
设备包括一个室内的场地，天花板上有通电的电网。
地面则为撒上少量石墨的金属地板或者是水泥地板。
场内有供乘客驾驶的小型电动碰碰车。
碰碰车的四周有由橡胶做成的围裙，并由接到天花板的垂直电杆取电。
车上一般最多坐二人，有加速用的脚踏，和转向的方向盘。
工作原理 碰碰车的供电又叫天网式供电：
一种用条块状导体组合而成的供电网络，是在一块足够大的绝缘板上，布置若干导电条，相邻导电条的电极性相反，各导电条以适当的方法各自与电源的同名端相连。
当一个物体在供电网络里自由活动时，可通过一个滑动触点组从供电网络中吸取电能或电信号。
本条块状供电网络，可直接应用于给游乐园中的碰碰车供电。
采用这种供电方法的碰碰车活动场所，地面不必再铺钢板，可直接利用普通地面。
碰碰车的游戏规则是：
驾驶者争取最快在场内完成绕圈，途中可以横冲直撞，把对手的车碰开。
当时间到了，游戏结束时操作员把电源关上。
碰碰车的速度通常很低，就算是碰撞亦不会损害人车。
最早的碰碰车在1910年代已出现。
碰碰车的供电又叫天网式供电：
一种用条块状导体组合而成的供电网络，是在一块足够大的绝缘板上，布置若干导电条，相邻导电条的电极性相反，各导电条以适当的方法各自与电源的同名端相连。
当一个物体在供电网络里自由活动时，可通过一个滑动触点组从供电网络中吸取电能或电信号。
本条块状供电网络，可直接应用于给游乐园中的碰碰车供电。
采用这种供电方法的碰碰车活动场所，地面不必再铺钢板，可直接利用普通地面。
三、摩天轮
摩天轮用电动机通过减速机减速,把高转速低扭矩的转为高扭矩低转速的机械动力。
通过一般是轮胎等又弹性有有一定强度的中间机构传到轮盘上，使其低速转动。
摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施，上面挂在轮边缘的是供乘客乘搭的座舱。
乘客坐在摩天轮慢慢的往上转，可以从高处俯瞰四周景色。
四、跳楼机
在一个环状的东西（像甜甜圈一样）四周坐满了人，沿着轴心的支柱缓慢地上升。
到了离地面二十层楼的高度，你会感受到十数秒的宁静，然后“甜甜圈”带着所有的人在地心吸力下下跌，刹那间众人在惊慌中尖叫，就好像将要跌得粉身碎骨一样。
在离地面很近的时候，“甜甜圈”突然减速了，最后安然地停下来。
众人在犹有余悸之际，还在兴高釆烈地谈论着刚才的紧张剌激的经历！
我们在跳楼机中自由下坠时，会感受到一种无重状态，就好像航天员在穿梭机中漂浮着一样。
为什么物体在引力下自由下坠时会失去重量？
这又与太空中的“无重状态”有什么相似的地方呢？
首先想一想为什么我们平日会感受到身体的重量。
根据牛顿的万有引力定律，地球对我们的身体产生引力。
但原来地面对我们的身体也产生一个承托力，引力与承托力相等并互相平衡，我们才得以安然地站在地上不动。
如果假想承托力消失，我们便会随引力下坠，掉进地球的中心了！
这两个方向相反的力对我们的身体组织产生一种压力，使我们感受到自己身体的重量。
早在17世纪，伽里略（Galileo）已经发现不同质量的物体在引力下会以相同的加速度自由下坠。
换句话说，如果我们可以忽略空气阻力的影响，任何物体在同样的高度会以相同的时间跌落地面。
据说伽里略曾经在比萨塔顶掉下两个大小相等但质量不同的圆球，发现它们同时到地，验证了上述的原理。
让我们回到跳楼机的问题上。
当跳楼机与你一同下跌时，跳楼机和你各自受到地球引力影响下跌，加速度相同，因此跳楼机对你几乎没有产生任何作用力，没有了地面或其它物体对你的承托力，你便会毫无束缚，完全感受不到身体的重量了。
事实上，航天员在穿梭机中感受无重状态，亦是因为他们在引力下自由下坠的原故。
在绕地球的轨道上，穿梭机与航天员之间相对静止，于是航天员便可以在机仓中自由地漂浮着。
与跳楼机唯一不同的是，穿梭机中的航天员是真正的失重，但是跳楼机的安全保险装置把人体与机器绑定，整体下降水平牵涉到人身上使得人体体液分布失衡，高密度脏器也是处在惯性上压的状态，容易血管出血等，从医学角度看，跳楼机和真人跳楼不仅有死与不死的区别，也有均匀受力和不均衡受力的区别。
聪明的同学可能会问，为什么不同质量的物体会以相同的加速下坠？
这又要用牛顿力学来解释了。
我们知道，地球作用于物体的引力与地球的质量和物体的质量成正比，而与他们之间距离的平方成反比，
即：
可是牛顿第二定律告诉我们，物体受力作用时，加速度与物体的质量成反比，即：
把两式合起来，我们有：
于是加速度a便与物体的质量m无关了。
原理就是把你升到一个高度，再以地心吸力把玩家“很安全“地跌落地面。
到了距离地面约十米左右，机器就会缓缓地减速，玩家可以享受2秒速下降数十尺的极速感受。
五、３D电影
立体电影（ANAGLYPH）：
将两影像重合，产生三维立体效果，当观众戴上立体眼镜观看时，有身临其境的感觉。
亦称“3D立体电影”。
立体电影是利用人双眼的视角差和会聚功能制作的可产生立体效果的电影。
出现于1922年。
这种电影放映时两幅画面重叠在银幕上，通过观众的特制眼镜或幕前辐射状半锥形透镜光栅，使观众左眼看到从左视角拍摄的画面，右眼看到从右视角拍摄的画面，通过双眼的会聚功能，合成为立体视觉影像。
立体电影就是用两个镜头如人眼那样的拍摄装置，拍摄下景物的双视点图像，再通过两台放映机，把两个视点的图像同步放映，使这略有差别的两幅图像显示在银幕上，这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重叠的，有些模糊不清，要看到立体影像，就要采取措施，使左眼只看到左图像，右眼只看到右图像，如在每架放影机前各装一块方向相反的偏振片，它的作用相当于起偏器，从放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变，观众使用对应上述的偏振光的偏振眼镜观看，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会看到立体景像，这就是立体电影的原理。
互补色、开关、柱镜、狭缝光栅等都是在保证左眼看左图，右眼看右图这一基本原理上的几种屏幕观看立体的不同方式。
随着科技的进步，人们在屏幕上看立体的方式会更多。
人以左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。
立体电影的原理即为以两台摄影机仿照人眼睛的视角同时拍摄，在放映时亦以两台放影机同步放映至同一面银幕上，以供左右眼观看，从而产生立体效果。
放映立体电影时，两台放影机以一定方式放置，并将两个画面点对点完全一致地、同步地投射在同一个银幕内。
在每台投影机的镜头前都必须加一片偏光镜，一台是横向偏振片，一台是纵向偏振片（或斜角交叉），这样银幕就将不同的偏振光反射到观众的眼睛里。
观众观看电影时亦要戴上偏振光眼镜，左右镜片的偏振方向必须与投影机搭配，如此左右眼就可以各自过滤掉不合偏振方向的画面，只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机放映的画面，右眼只能看到右机放映的画面。
这些画面经过大脑综合后，就产生了立体视觉。
利用人的双眼视角差和会聚功能等特性拍摄的放映时产生立体效果的电影。
普通的电影或照片都是一个镜头从单一视角拍摄的，影像都在同一平面上，人只能根据生活经验（如近大远小、光线明暗）产生空间感。
而立体电影则是由从类似人两眼的不同视角摄制的具有水平视角差的两幅画面组成的，放映时两幅画面重叠在幕上呈双影，通过特制眼镜或幕前辐射状半锥形透镜光栅，观众左眼看到的是从左视角拍摄的画面、右眼看到的是从右视角拍摄的画面，通过双眼的会聚功能，于是合成为立体视觉影像。
观众看到的影像好像有的在幕后深处，有的脱框而出，似伸手可攀，给人以身临其境的逼真感。
采用幕前辐射状半锥形透镜光栅的立体电影受观众厅座位区位置的严格限制，观众头部不能随便移动，否则立体效果消失，因此观众感到异常不便。
在戴眼镜观看的立体电影中，广泛采用着彩色眼镜法和偏光眼镜法。
彩色眼镜法是把左右两个视角拍摄的两个影像，分别以红色和青（或绿）色重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片。
放映时可用一般放映设备，但观众需戴一片为红另一片为青（或绿）色的眼镜。
使通过红镜片的眼睛只能看到红色影像，通过青色镜片的眼睛只能看到青色影像。
此法的缺点是观众两眼色觉不平衡，容易疲劳；优点是不需要改变放映设备。
初期的立体电影常用这种方法。
1985年日本筑波国际科技博览会上展出了采用这种方法的球幕黑白电影，效果更佳。
偏光眼镜法的立体电影，从1922年开始一直为各国所重视，有些国家已和大视野的电影相结合，拍成质量更高、效果更好的彩色立体电影。
这种电影在放映时，左右画面以偏振轴互为90°的偏振光放映在不会破坏偏振方向的金属幕上，成为重叠的双影，观看时观众戴上偏振轴互为90°、并与放映画面的偏振光相应的偏光眼镜，即可把双影分开获得立体效果。
由于制作和放映工艺的不同，偏光立体电影有双机和单机之分。
1985年的筑波博览会上展出了70毫米大银幕彩色立体电影。
自60年代以来，中国拍摄的立体电影是采用偏振光方式观看的立体电影。
苏联在70年代研试了全息立体电影，观看时不必戴眼镜，有很大的影像亮度范围。
由于观众眼睛的视觉调节和收敛是自然的，不会引起过分紧张和疲劳，观众只要转动头部，即可看到如同实物那样的位置变化，比普通电影有更大的深度感，就象真实物体那样。
这种电影仍在研究试验阶段。
偏振技术
在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜,这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。
这样，从银幕上看到的景象才有立体感.如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了。
这是为什么呢?
这要从人眼看物体说起。
人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。
这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的远近，从而产生立体视觉。
立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。
在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映,使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。
这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。
从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。
左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。
这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。
观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。
这就是立体电影的原理。
3D立体电影的制作有多种形式，其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。
它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。
放映时，将两条电影影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。
两台放映机需同步运转，同时将画面投放在金属银幕上，形成左像右像双影。
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