ジェットコースターの物理学

ジェットコースターに作用する力の説明

ジェットコースターの物理学は、重力と慣性を利用して車両を曲がりくねった線路に沿って動かす機械であるジェットコースターの設計と運行に影響を与える力学から成ります。重力、慣性、 G力、そして求心加速度は、乗客に常に変化する力を与え、コースターが線路を走行する際に特定の感覚を生み出します。

導入

ジェットコースターは、重力と慣性を利用して、曲がりくねった線路に沿って車両を走らせる機械です。 ^[1]重力と慣性、そして重力加速度と求心加速度の組み合わせにより、コースターが線路を上下に、そして周回するにつれて、身体は様々な感覚を体験します。乗員が感じる力は常に変化しており、喜びや爽快感を感じる人もいれば、吐き気を感じる人もいます。

エネルギー

まず、車両は最初の坂の頂上まで引き上げられ、そこから解放されます。その後、車両は残りの乗車区間において、外部からの機械的な補助なしに線路上を自由に転がり続けます。最初の坂を登る目的は、位置エネルギーを蓄積し、乗車が進むにつれてこの位置エネルギーを運動エネルギーに変換することです。最初の坂、つまりリフトヒルは、乗車区間全体で最も高い坂です。列車が頂上まで引き上げられるにつれて、位置エネルギーが増加します。これは、以下の位置エネルギーの式で説明されます。

$U_{g}=mgh$

ここで、U _gは位置エネルギー、mは質量、gは重力加速度、hは地面からの高さです。したがって、質量が同じで高さの異なる 2 つの列車は、位置エネルギーが異なります。高さが高い列車は、高さが低い列車よりも位置エネルギーが大きくなります。つまり、ジェットコースターシステムの位置エネルギーは、線路の最高点、つまりリフトの頂上で最大になります。ジェットコースターの列車がリフトの丘から降下し始めると、蓄積された位置エネルギーが運動エネルギー、つまり運動エネルギーに変換されます。運動エネルギーの式に示されているように、列車が速く移動するほど、列車はより多くの運動エネルギーを獲得します。

$K={\frac {1}{2}}mv^{2}$

ここで、Kは運動エネルギー、mは質量、vは速度です。ジェットコースターの車両の質量は一定なので、速度が上がると運動エネルギーも増加します。つまり、ジェットコースターシステムの運動エネルギーは、線路上の最も大きな下り坂の底、通常はリフトの丘の底で最大になります。列車が線路上の次の丘を登り始めると、列車の運動エネルギーは再び位置エネルギーに変換され、列車の速度が低下します。運動エネルギーを位置エネルギーに変換し、再び運動エネルギーに変換するこのプロセスは、丘ごとに続きます。エネルギーが破壊されることはなく、車両と線路の間の摩擦によって失われ、乗り物が完全に停止します。

慣性と重力

ジェットコースターの垂直ループを周回する際、慣性（ここでは爽快な加速力を生み出す）が乗客を座席に留める役割も乗客は座席に押し下げられ、重力が加わったような感覚が生まれます。

ループの頂点では、車の加速力によって乗客はシートからループの中心に向かって押し出され、同時に慣性によってシートに押し戻されます。重力と加速力はほぼ等しい力で乗客を反対方向に押し出すため、無重力のような感覚が生まれます。

ループの底部では、重力と乗客の慣性の方向が垂直下向きから水平方向へと変化することで、乗客は座席に押し付けられ、再び非常に重い感覚を覚えます。ほとんどのジェットコースターは拘束システムを採用していますが、ほとんどの反転コースターは、この拘束システムによって乗客が座席から落ちるのを防いでいます。

G力

G 力(重力の力) は、車が坂を下るときに感じる、いわゆる「バタフライ」感覚を生み出します。1標準重力(9.8 m/s ^{2 ) の加速度は、静止しているときに人が受ける地球の}重力による通常の力です。人の標準体重の測定には、この重力加速度が組み込まれています。人がループの頂上または坂を下っているときに無重力を感じるとき、その人は自由落下しています。ただし、坂の頂上が放物線よりも狭い曲線になっている場合、乗車者は負の G を経験し、座席から持ち上げられ、いわゆる「バタフライ」または「エアタイム」感覚を体験します。

木製コースターとスチールコースターの違い

木製コースターのトラックは薄い木材の積層板を積み重ねたものでできており、上部の積層板には平らな鋼鉄のレールが固定されています。スチールコースターでは、鋼管、I 形鋼、または箱形断面の走行レールが使用されています。どちらのタイプのコースターも、支持構造は鋼鉄または木材です。伝統的に、スチールコースターは乗り手にスリルを与えるために反転を採用していましたが、木製コースターはスリルを提供するために急降下と急な方向転換に依存していました。しかし、最近のコースター技術の進歩により、木造構造のハイブリッドスチールコースター (シックスフラッグスオーバーテキサスのニューテキサスジャイアントなど)や、反転を特徴とする木製コースター (シルバーダラーシティのアウトローランなど) が登場しています。

歴史

ジェットコースターの仕組みの基本原理は1865 年から知られており^[要出典]、それ以来、ジェットコースターは人気の娯楽となりました。

より優れた技術が利用可能になるにつれ、エンジニアはコンピューター設計ツールを用いて、乗り物が乗客に及ぼす力やストレスを計算するようになりました。現在では、特別に設計された拘束装置と軽量で耐久性のある素材を用いた安全なコースターの設計にコンピューターが活用されています。今日では、鋼管製のレールとポリウレタン製の車輪により、コースターは時速100マイル（160km/h）を超える速度で走行することが可能となっており、さらに高く、速く、複雑なジェットコースターが次々と建設されています。

参照

参考文献

^ Harris, Tom (2007年8月9日). 「ローラーコースターの仕組み」. 2010年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月1日閲覧。最も基本的なレベルで言えば、ローラーコースターとは、重力と慣性を利用して列車を曲がりくねった線路に沿って走らせる機械のことです。

[TLC-1] Harris, Tom (2007年8月9日). 「ローラーコースターの仕組み」. 2010年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月1日閲覧。最も基本的なレベルで言えば、ローラーコースターとは、重力と慣性を利用して列車を曲がりくねった線路に沿って走らせる機械のことです。