过山车

过山车（游乐设施）

过山车（Roller coaster，或又称为云霄飞车），是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中。拉马库斯·阿德纳·汤普森（LaMarcus Adna Thompson）是第一个注册过山车相关专利技术的人（1885年1月20日），并曾制造过数10个过山车设施，因此被誉称为“重力之父”（Father of Gravity）。

目录

1简介

过山车（Roller coaster，或又称为云霄飞车）是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中。拉马库斯·阿德纳·汤普森（LaMarcus Adna Thompson）是第一个注册过山车相关专利技术的人（1865年1月20日），并曾制造过数十个过山车设施，因此被誉称为“重力之父”（Father of Gravity）。一个基本的过山车构造中，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈，也可以设计为车体在轨道上的运行方式为来回移动。大部分过山车的每个乘坐车厢可容纳2人、4 人或6人，这些车厢利用勾子相互连接起来，就像火车一样。

过山车虽然惊悚恐怖，但是基本上是非常安全的设施。电影《绝命终结站 3》当中宣称过山车的事故率约为2亿5000万分之1，而现实当中，真正的数字可能还更低。根据美国消费者产品安全委员会（CPSC）和六旗乐园（Six Flags）的调查显示，2001 年当中搭乘过山车的死亡率约为15亿分之1。这意味着：游客死于驾车前往游乐园途中的机率反而大些。

2原理

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。
过山车

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。

3起源

如果说美国有一个过山车的摇篮，那么它就是纽约的科尼艾兰。美国的第一部过山车1884年在这里诞生。对于过山车迷来说，这里是他们的“麦加圣城”。科尼艾兰仍保留着1927年建造的最早的木质过山车“飓风号”（CrystalBeach Cyclone）。

今天木质过山车产生的神奇效果是在上个世纪20年代所无法想象的。美国辛辛那提市附近的Kings Island游乐园里面有一个“Son ofBeast”——“野兽之子”木质过山车(有钢支撑)开创了令人震撼的新高度，它高66米，长2143米，最高时速126公里，上下有65米的落差，造价据估计2000万美元，能同时供3辆过山车运行，每辆可载36人。它甚至还有一段木质过山车界唯一的垂直循环轨道，这是一个创举，因为人们曾认为这对木质过山车来说是根本不可能的。不过最终还是因为安全上的考虑（见下）于2006年12月拆除了这段垂直循环轨道。这座过山车也于2012年10月被完全拆除。

在过山车兴起的早期，只有传统的木质过山车。今天，过山车家族已经有约30名成员，包括金属过山车、悬挂式过山车、竖立式过山车以及穿梭式过山车等等。
过山车

木制过山车的轨道类似于传统的列车铁轨。在大多数过山车中，车厢的轮子采用了与列车相同的凸缘设计，即车轮内部形成一个凹形结构，使车厢不致滚到轨道外面去。车厢还有另一组轮子（有的只是一根安全杆），它们在轨道下方滚动。这可以防止车厢飞到空中。

随着20世纪50年代钢管轨道的引入，过山车领域发生了巨大的变化。顾名思义，钢管轨道由一对很长的钢管组成。支撑这些钢管的是一个坚固的上层结构，它重量较轻，是由比轨道钢管稍粗的钢管或梁搭建而成的。在钢制过山车中，列车车轮一般由聚亚安酯或尼龙制成。除了有传统的车轮安置在钢管轨道的正上方，车厢还有其他一些车轮，分别运行于轨道的底部和侧面。这种设计使车厢能够稳固地卡在轨道上，这在列车穿过轨道的盘旋和弯道时是极为重要的。在紧张的行驶过程中，这些轮子确保过山车不会脱离轨道。

过山车的轮子一般是由聚亚安酯或尼龙制成的，但是这种材料在高速行驶中磨损得很快，所以研制一种新型高质量的材料成为过山车设计者们急于解决的问题。

在钢制过山车中，列车车厢既可以像传统的木制过山车那样停留在轨道上，也可以像滑雪缆车那样，吊挂在车厢顶部的轨道上。在悬挂式过山车中，悬挂的列车能以一个转动接头为轴进行摆动，从而增加了一种向两侧的运动。而在悬挂翻转式过山车中，悬挂的列车则稳固地连接在轨道上，使设计师能更准确地控制车厢的运动方式。

与木制轨道不同，钢管轨道不是由各个小部件组装而成的。与使用预制钢梁的摩天大楼类似，它是由一些曲线型的大型模块预制的。通过钢制造工艺可生产出平滑的曲线型轨道，使过山车能沿轨道坡度向各个方向运动。在木制过山车中，当车体滚过连接木制轨道各部件的接头时会发出嘎嘎声，使运行过程产生停顿感。而在钢制过山车中，轨道的各个部件被完美地焊接在一起，使车体的运行极为平稳。任何一位过山车爱好者都会告诉您，每种感受都有与众不同的魅力。历史最悠久的公司是犹他州克利尔菲尔德的飞箭动力公司（Arrow Dynamics，现已被S&SPower收购），该公司以其生产的环状轨道的巨大落差和突然转向而著称。

4分类

木质过山车：木制过山车的轨道类似于传统的火车铁轨。过山车的金属轮子在平坦的金属条上滚动，每根金属条的宽度为10至15厘米。这种金属条是用螺钉固定在运行轨道上的，运行轨道用胶合木板制成，十分坚固。轨道则多以陡坡和侧旋为主，鲜见翻转。

扭转过山车：一种坐下式的的过山车，一般占地较小，拥有多种不同轨道，极为弯曲。著名的B&M公司则以该种过山车而闻名世界。

站立式扭转过山车：乘客采用站立方式乘坐的过山车，全身都能感受到翻滚时血液在体内的涌动。

超级扭转过山车（又称MEGA过山车）：虽然叫“扭转过山车”但它却没有翻转，仅保留了一些山坡。使乘坐者能感受到强烈的失重。占地一般较大，造价昂贵，可以算是木质过山车的钢铁升级版。

发射过山车（其中高度超过120米的又称等级过山车）：一般有极高的高坡用水压动力轮或者LIM驱动过山车冲上大约100米的高坡或者其他轨道元素，该种过山车目前保持着全球最高过山车的桂冠。

飞天滑板：一种冲浪板形的过山车，用LIM驱动，在U形的轨道上来回穿梭。

球体过山车：一种座位在车的两边，并可自由旋转的过山车。轨道长度一般不超过200米。

儿童（迷你、家庭）过山车：一种落差，坡度，速度都不是很大的过山车，占地较小，适合儿童乘坐。

水上过山车：一种能溅起极高的，无法抵挡的水花的过山车，一般整个过山车建筑都建造在水池中，并且长度不长。

垂直下坠过山车、跌落式过山车：带有超宽的车厢，一般一排8到10人，有90度的垂直下坠，而且通常在下坠之前有一个带链条的间隔刹车（临近90度斜坡前有短暂的停止，然后突然向下冲。）

螺旋过山车：一种坐下式的过山车，特点是有开塞钻式的螺旋。

摩托过山车：车厢做成马形或摩托车形，让你体验高速骑行乐趣的过山车。

塔楼过山车：一种垂直提升的过山车，提升到顶部时立刻转向地面并释放，通常俯冲角会大于90度，车厢较小，扭转更快，是一种非常刺激的过山车。

多次元（4D）过山车：一种科技含量极高的过山车，座位悬挂在主车厢外侧，并可以随轨道的设计单独翻转，再加上主车厢随轨道的翻转，给人一种不同的乘坐体验。 4D过山车全球仅有3套，一套在美国的六旗魔术山，另一套在日本的富士急乐园，第三套中国常州的中华恐龙园内。

宽翼过山车：一种座位在主车体两边的过山车，乘客们会体验到上下无轨道遮挡的凌空飞行感觉，与4D过山车不同，宽翼过山车的座位不会进行单独翻转。目前中国已有一台宽翼过山车（位于珠海长隆海洋王国）。

X-car 过山车：一种对人束缚极少的过山车，此种过山车仅仅采用体育场风格的敞开式座位，安全装置仅压紧腰部使其无法动弹。除此之外乘坐者的其他身体部位全部自由，给人一种开放的乘坐感觉。

翻转脉冲过山车：用LIM驱动在两个垂直轨道之间来回穿梭。

翻转过山车:循环式轨道，多次翻转，这种车悬在轨道下方，无地板，乘坐时脚悬空，让乘客感觉像乘坐坐急速扭转的战斗机一般。

飞行过山车：B&M的招牌过山车之一，人们趴着乘坐此种过山车，并可以自由张开双臂，就像飞行的鸟一样。

悬挂摇摆过山车：一种转弯的时候会自行产生离心运动，车厢可自由摆动的过山车。

5之最

在钢铁制过山车中，日本长岛温泉游乐园中的过山车SteelDragon 2000，全长2479米，是最长的过山车。第二名是位于英国Lightwater Valley中的The Ultimate，全长2271米，第三长的Millennium Force位于美国俄亥俄州。

在中国江苏省，常州的嬉戏谷中的过山车是全亚洲最长的。嬉戏谷中的过山车是江苏省最刺激的，最好玩的。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，是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。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），但它不会消失，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那样的高度所需要的机械能了。

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。到达“垂直循环”（Vertical Loop）时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客就会有一种被压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。事实上，在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生了一种向心力。这种环形轨道是水滴形的，目的是为了“平衡”引力的制动效应。当过山车达到圆形轨道的最高点时，事实上它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程，机械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。

6十大惊险过山车

1、京达卡　Kingda Ka

美国新泽西州六旗大冒险乐园

最快速度：206公里/时最高点：139.5米

“京达卡”是世界上最快、最高的过山车，是一个“等级过山车（Strata Coaster）”，号称过山车之王。过山车瞬间由零加速至时速206公里，像火箭般直上。过程中有一次90度扭转，到达139.5米高的顶点后猛地垂直向下俯冲41层楼的高度，还有一次270度的扭动。然后，过山车又进行第二次攀爬，到达40米高，短暂的失重后，通过磁力刹车，全程28秒玩完，怕了吗？因为京达卡刺激系数太高，所以只在4至10月份开放。

2、超级赛车　Top Thrill Dragster

最快速度：193公里/时最高点：128米

“超级赛车”曾经是世界第一，直到2005年京达卡的建成。超级赛车也是一个“等级过山车。完成完整的一圈有853米。过山车在出发4秒内达到最大速度，在开始攀爬到90度的倾斜弯时，有个逆时针的90度的翻转，然后过山车直接冲到128米的高度，越过制高点从另一边直下，再来个270度的顺时针翻转，然后通过电磁减速装置，使车既快又舒适的停止，仅30秒玩完。

3、终极飞车　Dodonpa

日本山梨县富士极乐园

最快速度：172公里/时最大落差：52米

“终极飞车”是一个气动过山车，启动后在连续500米长的直线滑道上持续平稳下滑，此段滑道被称作“零G下滑”地段，然后以接近时速172km的速度向下行驶，乘客会感觉身体象漂浮在宇宙中一样，近似失重状态。此后，突然来了个急转弯，猛然冲向52米的垂直耸立的塔形滑道，以时速120公里的速度飞驰而来的过山车垂直上升，即便在最高处，仍能保持每小时105公里的速度，然后毫不迟疑地垂直落下。

4、恐怖之塔　Tower of Terror

澳大利亚昆士兰州梦想世界

最快速度：161公里/时最高点：99米

“恐怖之塔”的路线与前三名过山车不同，它是倒后型过山车，整体造型是个L字，没有绕圈和扭转。7秒钟加速到161公里/时，一直冲上99米相当于38层楼高的高度，随着这种上升，在倒滑前，有6.5秒的失重，然后倒着降落，往后加速俯冲的感觉比正面俯冲更为强烈更让人害怕。

5、超人：逃亡　Superman： The Escape

美国加州六旗魔法山乐园

最快速度：160公里/时最高点：99米

同是倒后型过山车的“超人：逃亡”可能是这里面最有幽默感的，左右轨道上的列车同时出发，在最顶点矗立着面向乘坐者的超人。过山车7秒钟内加速到161公里/时，直直冲上99米的高度，暂停，6.5秒的失重就像超人飞天，再倒后俯冲风驰电掣般地回落。

6、钢铁之龙　Steel Dragon 2000

日本长岛温泉公园

最快速度：152.9公里/时轨道长：2479米最高点：96米

“钢铁之龙2000”是世界上轨道最长的过山车——2479米。它使用了传统的链式提升，由于梯倾斜度过长，所以有两条链子，一个在底部的一半，一个在最高的一半。链子很长很重，至少有两个过山车的重量。而结实的链子，可以同时安全地运行两辆过山车。

7、千禧力量　Millennium Force

美国俄亥俄州雪松点公园

最快速度：149.7公里/时最高点：94.4米

“千禧力量”保持了10项世界记录，其中一项是耗时最长、圈地最广——2分20秒内走过的轨道，圈起来的话覆盖了5.2万平方米。当你以为一个大俯冲过后可以稍事安神时，第二个俯冲又紧接着来了，接着就是第三个、第四个，过山车可以说是以飞快的速度从头到尾穿越了雪松点乐园。

8、太阳神　Titan

美国德克萨斯州六旗乐园

最快速度：136.7公里/时最大落差：77.7米

“太阳神”的设计者与第9名“巨人”的由同一个瑞士团队（B&M）设计，因此它俩有类似的夸张筋斗环和螺旋翻转。轨道共长1584米，其间有一个接一个的上升俯冲、翻筋斗和螺旋翻转。当过山车从77.7米的高坡以136.5公里/时的速度冲进一条长36.5米的漆黑隧道，心脏和眼睛骤然同时收缩，这是最刺激的。

9、巨人　Goliath

美国加州六旗魔法山乐园

最快速度：136.7公里/时最大落差：77.7米

“巨人”的速度排名第9、高度排名第7，而落差则排名第3。惊险环节里，它和“太阳神”一样以136.5公里/时的速度俯冲下77.7米的高坡，但它的最特别之处在于缓行轨道上的数个小拱，乘坐者经过这里就像骑着小兔子一样上下颠簸，因此被公认为世界上最娱乐的过山车之一。

10、复仇幻影　

美国宾州肯尼伍德乐园

最快速度：131.9公里/时最大落差：69.4米

“复仇幻影”的前身“钢筋幻影（SteelPhantom）”曾经是世界排名第五的过山车，“复仇幻影”保留了传统的钢筋轨道，但大大增加了挑战性，最快速度131.9公里/时、69.4米的落差、轨道进入地下的等等，而且“复仇幻影”拆除了所有的垂直循环和螺旋翻转，只采用了翻坡道让人们感受失重的快乐。

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