惯性力的体验

　　过山车无非是重力与幻觉、动量与推销、几何与物理、野性惊恐与肾上腺素亢奋的快感等象征。但最重要的是，它们是工程技术的卓越体现。

一切始于矿山运输

　　从俄国人在圣彼得堡各处建造冰滑梯时算起，过山车的构想已有数百年历史。据说凯瑟琳大帝对此极为热衷。

　　后来采矿企业允许公众乘坐原本用来运送煤炭的铁路系统，以赚取额外收入。美国宾夕法尼亚州的Mauch Chunk铁路乘坐一次需时30分钟，时速可达160公里，迄今仍是距离最长的过山车。

　　但是首个真正意义上的过山车则建于19世纪末的美国，再往后就是大家都知道的历史了。

　　如今的过山车堪称现代工程杰作。设计师们所受到的束缚并非想象力，而是预算的限制以及极严格的安全标准。这就意味着从设计图纸到游乐场设备创新可能需要多年的时光。

　　牛顿第三运动定律说，当一个物体向另一物体施加作用力时，后者会向前者施以等量的反作用力。过山车座位施加到乘客的是向心力；而乘客向座位施加等量的反作用力是离心力或惯性力。

　　当惯性力为负数（自由落体）时，会给人一种失重的感觉，所以对大部分人来说，坐过山车的体验就是最接近宇航员和战斗机飞行员升空或飞行时的感受。

　　Werner Stengel是过山车世界的传奇人物。虽然已正式退休，但他仍紧密参与已交由Harald Wanner和AndreasWild在慕尼黑经营的Ingenieur-Beuro Stengel公司。全世界共有500多架Stengel过山车。第500架是Maverick发射式过山车，于去年在美国的Cedar Point游乐场投运。

　　想当初，有人曾向Stengel请教碰碰车的结构计算，没想这竟成了他职业生涯的开始。后来他参加了为1964年德国慕尼黑啤酒节兴建的首架钢制过山车Super Acht。他的成就包括开发国际知名的DIN4112标准专利木结构过山车轨道，也曾因“对重力的杰出贡献”而获欧洲过山车俱乐部颁发的一个奖项。

　　Wanner解释说，“从我们的设计图纸诞生了很多崭新的形状，比如第一个使用回旋曲线 [曲率半径不断变化、下大上小的形状] 而不是圆形的安全回环。Werner与Stengel团队还首创了零惯性力滚动、眼镜蛇滚动、俯冲式回环、蝙蝠翼及Stengel俯冲等过山车。”

　　在这里，轨道设计至关重要，既要让过山车惊心动魄,，同时又不超出可承受的限度。他说，“在设计流畅的轨道以及为制造商提供最精确的转弯及安装数据中，我们投入了大量的经验和最先进的数学知识。”

　　Wanner说，“设计师必须注意不超过技术及人体负荷可承受的限度，但又要加入一些刺激元素，例如距离地面的高度、急转弯及回环等。”

　　在美国，Great Coasters International公司专门设计、建造并维护木制过山车。公司以其GCII设计及Millennium Flyer铰接式过山车而闻名遐迩。

　　声称从8岁起就迷上过山车的Chris Gray是该公司的采购经理，不过他更喜欢别人叫他“过山车公子”。

　　据他解释，“Millennium Flyer从右至左迅速而平稳地移动，就好像半挂车拖읦24节车厢一样，而每节车厢都要走到前一节车厢转弯处才开始转弯。这样就可以一直利用外边的轨道运行，使整个过程更加顺畅。”

　　他继续说，“这个过程的每一米路程都要进行上下左右各个方向的惯性力运算，如果惯性力超过3G，人就可能失去知觉。有些钢制过山车在每小时210公里的速度时产生6G的惯性力。但世界上最大的木制过山车是俄亥俄州的Son of Beast，速度为每小时140公里。但那并不是我们建造的。”

　　Gray补充道，“另外您还得计算出什么样的结构将能承受今后20年每天的运行。这就是为什么维护人员每天都要进行检查，就像飞机起飞前的例行检查一样。他们走在轨道上，查看车子，并用细齿梳进行仔细的检查。”

　　在调试过程中会使用80公斤的沙包来模拟乘客。他解释说，“那可能是过山车所能承受的最快速度，因为重量是平均分布的。”

　　Intamin建造过世界上最卓越的过山车。到2007年公司成立40周年之际，它已能提供12种不同类型的过山车，其中一半是根据客户要求而设计的。公司副总裁Roy Vocking说，唯一的局限是资金。现在流行发射式过山车，只需几秒钟就能从0加速到时速200公里。“这些过山车使用的是我们5年前已注册专利的液压发射系统。当时由于在把2至3兆瓦的能量输进线性电机的问题上遇到困难，于是促使上述专利应运而生。”

　　Vocking解释说，工程技术与刺激程度都得到精心计算。“是否惊恐可谓见仁见智。所容许的惯性力由一系列严格的标准来限定。最大惯性力取决于运行方向，因为没人希望头部晃来晃去。”

　　他继续解释道，“一架好的过山车会不停地改变方向，但又要确保乘搭过程顺畅，因此轨道的几何设计十分重要。设备可以推到极限，但对人体却不能这样。对过山车的计算和工程设计需要耗费数十万欧元。”

　　在诺丁汉大学计算器科学系和心理学系的协助下，世界第一位“惊悚”工程师Brendan Walker在英国AltonTowers主题公园里进行了测试。

　　Walker在接受航空工程师及工业设计工程师的培训后，将注意力转移到惊悚主题上。他应用心理测试、摄像头和心率监测器来对欧洲最大型过山车Oblivion的乘客进行解读。该过山车落差55米，最高时速110公里，总惯性力4.5G。

　　他说，“我一直在想，乘客一定很有兴趣知道自己乘搭时的心理和生理反应。而排队等候时看到尖叫的表情和加速的心跳等录像片断，将是一项绝妙的景观。”

　　Walker说，“随着过山车变得越来越大和越来越快，对于健康和安全的考虑也愈加突出，乘客和观众之间的情感纽带已几近消失。我希望用科技来弥补这一鸿沟。今年4月我在意大利佛罗伦萨的计算器与人类互动国际会议上宣读了一篇关于我们在这方面最新发现的前沿性学术论文。”

“这个过程的每一米路程都要进行上下左右各个方向的惯性力运算。如果惯性力超过3G，人就可能失去知觉。”

　　这项新发现显示，过山车乘客分为两种截然不同的类型：
　　• 开始（排队和乘搭开始）时出现焦虑，乘搭过程中陷入精神创伤，结束时如释重负，并为“逃过一劫”而兴高采烈的人群。

　　• 从一开始就表现出极度兴奋和期待，整个乘搭过程喜形于色，最后因一切终结而表现失望的人群。

　　兴奋高潮是在排队的时候，即在乘搭之前，而非乘搭过程中。

　　要在这行业中保持领先，就意味着不断发展新理念。Intamin在2007年首创了名为ZacSpin的垂直过山车，它占地面积不大，但是可以将乘客头朝下脚朝天打转，并抛入自由落体状态。

　　Roy Vocking对于Intamin公司位于西班牙PortAventura公园的Furius Baco过山车情有独钟。

　　他说，“这太好玩了，速度又快，又可以低到贴近地面。我也喜欢英国Thorpe公园的Stealth过山车，是那种短程、急弯、甜蜜的发射式过山车。这种木制过山车有充足的‘空中时间’，而且可以让你感觉好像把心都提到了嗓子眼上了。”

太空中的“过山车”

　　美国宇航局（NASA）的新Ares 1-Y火箭将采用过山车原理实现快速逃生。Orion紧急出口系统将从太空舱舱口外100米宽的平台放下一个吊舱，吊舱将沿着457米长的轨道到达安全舱，这将在2分钟内完成。设计工作于2008年春季开始，唯一的主要区别在于NASA的“过山车”将乘客身体承受的惯性力降至最低。它将于2012年9月投入测试，届时Ares将进行无人驾驶飞行，但逃生分离舱必须准备就位，以供工作人员在发射前进行最终的操作。

　　设计师必须注意不超过技术及人体负荷可承受的限度，但又要加入一些刺激元素，例如距离地面的高度、急转弯及回环等。

惊人的纪录保持者

　　过山车就是无所不用其极的化身，美国在这方面拥有最多项纪录：
　　• 最快：时速206公里，新泽西州Six Flags Great Adventure游乐场里的Kingda Ka过山车
　　• 最古老：建于1902年，宾夕法尼亚州Lakemont游乐场里的Leapthe Dips过山车
　　• 最奇特：60米长的塔顶过山车，建于内华达州拉斯韦加斯的云霄塔（Stratosphere Tower）顶部，离地面275米
　　• 落差最大：127米，新泽西州Six Flags Great Adventure游乐场里的Kingda Ka过山车但是日本也有一个纪录保持者：
　　• 距离最长：2,479米，日本三重县长岛温泉公园（Spa Land）里的钢龙2000

（山特维克可乐满《金属切削世界》）

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