Parques de diversões são um lugar onde pessoas de todas as idades vão se divertir e relaxar, mas se há uma coisa que capta a atenção de crianças e adultos, são montanhas-russas! Pessoalmente, isso me faz pensar sobre o que é sobre montanhas-russas que proporciona tal excitação tão difundida a tantos de nós, mas tal medo terrível em outros. A razão para estas emoções intensas não é devido à velocidade que se experimenta, mas sim as forças e a sensação de ausência de peso que afetam os ciclistas. Vamos agora dar uma olhada na física dos circuitos de montanha-russa para entender como se experimentam as forças poderosas e a noção de ausência de peso.
(Crédito da foto: Pixabay)
Física dos Loops
A força primária que faz com que uma pessoa sinta um conjunto particular de sensações é a aceleração, e a seção de uma montanha-russa que explora essa aceleração (mais precisamente conhecida como aceleração centrípeta) são os laços clotóides . Um laço clotóide assume a forma geométrica de uma lágrima. Uma clotóide é uma seção de uma espiral que tem um raio em constante mudança. Ao contrário de um loop circular, que tem um raio constante, um loop clotóide tem um raio maior na parte inferior do loop do que no topo. Para facilitar a visão da alça clotóidea, vamos imaginar dois círculos do mesmo raio que se sobrepõem uns aos outros para formar a base da clotóide, enquanto um círculo menor forma o raio no topo da clotóide.
À medida que o carrinho da montanha-russa passa pelo circuito clotóide, experimenta-se uma aceleração baseada em dois fatores principais: a mudança constante de direção e a constante mudança de velocidade. Um carro de montanha-russa que se move para a direita gradualmente se torna um carro de montanha russa em movimento ascendente e um carro de montanha-russa em movimento para a esquerda, depois um carro de montanha russa em movimento descendente. Em outras palavras, há uma mudança contínua na direção do carro da montanha-russa à medida que ele se move através do loop de clotóide. Quando o carro da montanha-russa começa a subir o circuito, ele começa a desacelerar. Um aumento na altura leva a um aumento na energia potencial, o que resulta em uma diminuição na energia cinética e velocidade. Por outro lado, uma redução na altura aumenta a energia cinética e a velocidade,
Análise de Força de um Loop
Sempre que um objeto se move em um caminho curvo fechado, ele experimenta uma aceleração interna que resulta no objeto experimentando uma força interna interna. Antes de prosseguirmos com a análise das forças que uma pessoa experimenta em uma montanha-russa, assumiremos que o carro da montanha-russa não experimenta nenhuma fricção ou resistência do ar. Com isso em mente, haverá duas forças que atuam sobre o carro da montanha-russa: a FORÇA DA GRAVIDADE ( F GRAV ) e a Força Normal ( F NORMAL). A força normal é direcionada na direção da pista, enquanto a força gravitacional é sempre direcionada para baixo. Na parte inferior do loop, a faixa empurra para cima no carro com uma força normal. No entanto, no topo do loop, a força normal é direcionada para baixo; desde que a pista (o fornecedor da força normal) está acima do carro, empurra para baixo no carro. Os diagramas de corpo livre para essas duas posições são mostrados nos diagramas à direita.
A magnitude da força atuando no carro da montanha-russa (ou passageiro) pode ser calculada usando a fórmula F GRAV = mg, onde a aceleração devida à gravidade é representada por g (onde g = 9,8 m / s 2 ). A magnitude da força normal depende de três fatores – a velocidade do carro, o raio do circuito e a massa do motociclista. Como mostrado no diagrama de corpo livre, a magnitude de F NORMAL é sempre maior na parte inferior do loop do que no topo. A força normal deve sempre ser do tamanho apropriado para combinar com o F GRAVde tal forma a produzir a força líquida interna ou centrípeta necessária. Na parte inferior do loop, o Fgrav aponta para fora, longe do centro do loop. A força normal deve ser suficientemente grande para superar este F GRAV e fornecer alguma força em excesso para resultar em uma força interna para dentro. Em certo sentido, F GRAV e F NORMAL estão em um cabo-de-guerra e F NORMAL deve ganhar por uma quantia igual à força resultante. No topo do loop, ambos F GRAV e F NORMAL são direcionados para dentro. F GRAV é encontrado da maneira usual (usando a equação F GRAV= m * g). Mais uma vez, o F NORMAL deve fornecer força suficiente para produzir a necessária força interna ou centrípeta.
Sensações de ausência de peso
Quando você está em uma montanha-russa e viaja através de um loop, você provavelmente experimentará uma pequena força normal no topo do loop e uma força normal considerável na parte inferior do loop. A força normal fornece a sensação do peso de uma pessoa. Quanto mais você pesa, mais força normal você experimentará quando estiver em repouso. No entanto, quando você embarca em uma montanha-russa e acelera através das alças clotóides, você sentirá uma força normal que está continuamente mudando e outra à qual você não está acostumado.
Essa força normal proporciona uma sensação de ausência de peso ou peso. No topo do circuito, uma pessoa se sentirá parcialmente sem peso se as forças normais se tornarem menores que o peso da pessoa. Na parte inferior do loop, um piloto se sentirá muito pesado devido ao aumento das forças normais. É importante perceber que a força da gravidade e o peso do seu corpo não estão mudando; somente a magnitude da força de suporte normal está mudando constantemente.
Com todas essas informações em mente, da próxima vez que você for para uma montanha-russa, você saberá porque se sente de uma certa maneira, seja em êxtase, com medo… ou apenas enjoado!