約起來！在遊樂園裡遇見牛頓！

（本文出自《知識就是力量》1月刊雜誌，作者：周曉秋，安順市實驗學校，中學物理高級教師，原創作品，轉載請註明出自知識就是力量微信公眾號）

遊樂園是孩子們的快樂王國，過山車、激流勇進、天地雙雄、蹦極、海盜船……許許多多的遊樂項目讓人體會到無限的刺激與歡樂。但是你知道嗎，在你的尖叫聲與歡笑聲中，其實已經和經典物理學的奠基人牛頓不期而遇了很多次。想知道你都在哪裡遇到過牛頓大神嗎？快看過來，這就為你揭秘！

過山車

走進遊樂園，過山車那充滿驚險的三維空間超高速運動，往往最能激起青少年探險的興趣。

沒有動力也能走完全程

過山車亦稱雲霄飛車，雖然全球的過山車種類繁多，但無論哪一種，其本身都無動力。雖然過山車沒有動力，但它的速度卻並不低，最高時速可達240千米。有的過山車從130多米的高空俯衝下來，百公里加速僅需1秒，而世界名車法拉利也需3.1秒。那麼，過山車的動力究竟源自哪裡呢？原來，過山車起步時依靠機械牽引或彈射等方式，使它從整條軌道最低處爬升到最高點，將其他形式的能量轉換成過山車最大的重力勢能—這就是過山車走完全程所需的全部能量。而重力勢能的形成，是因為物體間都存在著相互吸引的力—萬有引力。看，我們在這裡與萬有引力的發現者牛頓相遇了。

能量之間自由轉換

處在制高點上的過山車在重力作用下，獲得了向下的加速度。牛頓第二定律就揭示了力的這種作用效果。隨著過山車從最高點快速滑下，其勢能快速減小，動能快速增大。到達最低點時，根據能量守恆定律，過山車的能量不會消失，而是將勢能全部轉換為過山車的動能（忽略摩擦及空氣阻力）。當運動到最低點時，過山車並不會停下來，它藉助動能又衝上下一個的制高點，動能又迅即轉換為過山車的勢能。

倒懸為何有驚無險

當過山車越過垂直立面軌道頂端時，人和車呈倒懸狀態，讓人驚恐不已。其實過山車通過倒懸路段時，做高速圓周運動的人和車都獲得了較大的慣性。在慣性作用下，人和車都緊貼著軌道運動。此時，即便取掉固定人和車的護具，人和車都不會掉下來。在這裡，牛頓又以慣性的形式與大家見面了。當然，為安全起見，運行中不允許取掉任何安全護具。

制高點高度逐次降低

實際上，由於摩擦和空氣阻力並不能忽略，因此過山車要消耗一定的機械能來克服摩擦和空氣阻力。根據能量守恆，過山車的機械能會在運動中不斷減小。由於能量減小，而質量和重力加速度都未改變，所以過山車所能越過的制高點只能逐次降低了。

（重力勢能是過山車運動的能量源泉）

激流勇進

與過山車相似的激流勇進，其遊船和流水也是被機械提升至各個不同的制高點，然後藉助重力作用，沿水道順勢而下，將重力勢能轉換成遊船和流水下行的動能，從而以較高的速度沖入低谷中的水道，在船頭和兩側激起白色浪花，給人以無窮的樂趣和涼爽的感覺。看來在水上項目中，牛頓也陪同大家一起遊樂。

（遊船藉助重力作用順流而下）

天地雙雄

天地雙雄亦稱太空梭、垂直極限或跳樓機等，比過山車更加驚險刺激。

體驗宇航員的感受

當人們坐在天地雙雄的座椅上，以2～4g的加速度在2秒左右的時間內快速上升到20～30層樓高的塔頂時，會有超重感。當座椅載著人們以接近1g的加速度下降時，人們又會有失重感。天地雙雄急速的升降運動，使人們初步體驗了宇航員乘坐火箭升空和乘坐返回艙返回地面時經受的超重與失重。然而，宇航員有時承受的超重現象達到8g，如此嚴酷的超重對普通人而言是非常危險的。

為何會有超重和失重

物體將其所受的重力向下作用於支撐物上，支撐物也對物體有一個向上的支持力，這就是牛頓第三定律闡述的作用力和反作用力的關係，二者等大反向。物體對支撐物的壓力就是人們俗稱的物體重量。當支撐物載著物體向上加速時，支撐物除繼續承受物體重量外，還必須給物體一個向上的作用力，使其獲得向上的加速度，此時支撐物對物體的支持力大於物體重量（或者說物體對支撐物的壓力大於物體的重量）—即超重。反之，當支撐物載著物體向下加速時，物體對支撐物的壓力小於物體的重量（甚至消失）—即失重。可見，牛頓在這裡也沒有閑著，隨時等著大家光臨。

（急速的升降運動使人們體驗了超重和失重）

蹦極

臨空一躍身如燕，疑似大聖下九天。跳蹦極的人，在重力作用下，以1g的重力加速度從數十米高空自由下落。人們在蹦極中能清晰地感受完全失重的狀態。當然，不論是天地雙雄還是蹦極運動，在人體即將接近地面或水面時，會通過機械或藉助拉伸橡膠帶形變，達到逐漸減速而確保安全的目的。這與石塊的自由落體運動是不同的。蹦極中，牛頓以重力的形式與勇者同在。

（人在蹦極中能清晰地感受完全失重的狀態）

碰碰車天網供電

因供電方式不同，碰碰車分為電網碰碰車和電瓶碰碰車兩類。其中電網碰碰車的電能由碰碰車場地上空的天網和地面的地網提供。車場的上空和地面都鋪設了與外界絕緣的金屬板，分別與電源兩級相連。碰碰車尾豎著的彈簧天線與空中金屬板形成滑動式連接，車底裝有電刷，與地面金屬板連接。控制台閉合電閘後，上下金屬板、電源和碰碰車電動機構成閉合電路，電機將電能轉換成機械能，從而連續驅動碰碰車自由行駛。

碰撞的力量

碰碰車相撞的瞬間，好像有一股強大的力量將車上的乘客拋向對面，在安全帶的束縛下，人才避免了被拋出的危險。這種現象，是因為人們又遇到了牛頓發現的慣性。相撞前，車上的乘客與所乘車輛以同樣的速度運動。相撞瞬間，兩車因撞擊而停止，但乘客的上半身並未與車身連為一體，牛頓第一定律告訴我們，在慣性作用下，人體仍繼續保持原來的運動趨勢，故而出現車上乘客撲向前方的現象。

碰碰車相撞中，雖然是一方主動撞擊，一方被動受撞，但牛頓第三定律告訴我們，主動撞擊的車給被撞車一個作用力，受撞擊車在受撞擊的同時，也會給主動撞擊的車一個等大的反作用力，相撞車輛之間並不因為主動與否而改變彼此受力的大小。

（碰撞中凸顯了慣性對人的影響）

海盜船

海盜船藉助電機，通過克服船體重力，使船體從最低點的平衡位置逐漸盪向平衡點一側的最高點，將電能轉換成船體上升後的機械能。關閉電機，依靠重力作用，海盜船從最高點繞著船身懸掛點，如單擺擺錘一樣快速落下，將最高點的重力勢能轉化為下落過程中的動能。到達最低點的平衡位置時，因慣性而無法停止下來的海盜船，越過最低點的平衡位置，向另一側盪上去，直到到達與剛才一側幾乎同樣的高度。然後，又在重力勢能的作用下，繞著海盜船的懸掛點重新落下。如此反覆的擺動，給乘客彷彿置身於驚濤駭浪中的感受。在海盜船中，我們依然能看到牛頓萬有引力和第二定律的身影。

原來，遊樂園中有這麼多以牛頓三大定律為基礎的經典物理學知識的應用，這恐怕是人們來遊樂園之前沒有想到的。現在，大家應該對牛頓有所了解了，那麼快約上朋友，到遊樂園裡去尋找他的蹤跡吧！

編輯：齊敏

新媒體編輯：姚迪

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