过山车设计说明书

过山车设计说明书（通用4篇）

篇1：过山车轨道空间曲率法横倾角设计

过山车属于滑行车类游乐设备,车体提升至轨道最高点后依靠重力势能在轨道上自由滑行。车体作曲线运动时的侧向加速度是影响乘坐舒适性的一大主要因素,因此设计合理的横倾角以减少侧向加速度是轨道设计不可或缺的一部分。设计上先通过计算获得过山车滑经每个位置时所需的理论横倾角,此横倾角曲线是离散的不光滑的曲线,需要通过样条拟合和仿真迭代获得最优实际横倾角,使轨道的倾角变化连续且能最大限度地降低侧向加速度[1]。下面介绍如何依靠矩阵运算[2]和理论力学[3]在3维向量空间内计算过山车轨道的理论横倾角,并对比GB8408-2008[4]介绍的投影法(水平投影和纵向展开)计算的理论横倾角,以说明空间曲率法的优势。

1计算方法

采用微分原理,将运行轨迹曲线按1 000 mm间隔离散为轨迹点,相邻的每3个点可以确定一个空间圆弧。近似地认为此圆弧即为车体作圆周运动的圆弧,如图1所示。

整理式(1)、(2)、(3)得:

求解式(4)、(5)、(6)组成的线性方程组得:

将其简化表示为:

按照GB8408-2008[4]组合运动加速度和重力加速度。实际加速度和运动学中加速度的大小和方向不同,运动学中的加速度大小为速度的变化率,方向为速度增量的方向;实际加速度是惯性加速度,其与惯性力(包括重力)的方向一致,其大小也包含了重力加速度[5,6,7]。

车体滑行时,前进方向为自由状态,故重力加速度沿前进方向的分量与运动惯性加速度平衡,无需计入实际加速度中。

不妨取重力加速度方向为正z向,则有:

则理论横倾角θ2为:

2算例比较及验证

以某一过山车轨道为例分别按照GB8408-2008[4]介绍的投影法和本文的空间曲率法计算其理论横倾角,比较说明两种方法计算的理论横倾角之间的区别。两种方法计算的理论横倾角拟合后均可经过仿真迭代优化得到相同的最优实际横倾角。此最优横倾角轨迹的人体坐标系下y向加速度仿真结果如图4所示,结果表明其有效地将y向加速度控制在0.3 g以内,乘坐舒适。但空间曲率法计算的理论横倾角与最优实际横倾角更接近,在其基础上只需更少的迭代次数便可获得最优实际横倾角,且无需人工调整方向。

下面将空间曲率法和投影法计算的理论横倾角分别与最优实际横倾角进行对比,如图5、6。

对比图5和图6可以看出,空间曲率法在计算横倾角时可以获得正确的方向,而投影法无法区分方向部分区段方向相反须依靠人工调整;空间曲率法无需将空间运动加速度投影简化为两个平面加速度,直接用向量的形式表示,理论清晰且准确度更高;空间曲率法计算的理论横倾角曲线与最优实际横倾角曲线更吻合,在其基础上可以更快获得最优实际横倾角。

3结束语

采用空间曲率法计算横倾角理论更加清晰,可更准确、更方便地分析复杂的空间轨道。特别对于轨迹元素中有立环、螺旋环、U型滑坡的轨道设计,其无需人工区分横倾角方向,可以更快、更方便地优化出最优实际横倾角。

摘要：介绍空间曲率法如何运用矩阵运算在3维向量空间内计算过山车轨道的理论横倾角,并将此方法计算的横倾角与投影法计算的进行对比以说明本方法的优势。具体以某一过山车轨道为例,说明通过两种方法计算的理论横倾角均可经优化获得相同的最优实际横倾角,但空间曲率法计算的理论横倾角更接近最优实际横倾角,故其可更快地获得最优实际横倾角且无需人工调整方向,为过山车轨道设计提供了更好的方法。

关键词：过山车轨道,矩阵运算,向量空间,空间曲率法,横倾角

参考文献

[1]高庆斌,刘喜旺.过山车轨道横向倾角的分析计算[J].机电工程技术,2011(8):191-192.

[2]谢国瑞.线性代数及应用:第1版[M].北京:高等教育出版社,1999.

[3]马尔契夫著,李俊峰译.理论力学:第3版[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]GB8408-2008.游乐设施安全规范[S].

[5]GB18159-2008.滑行车类游艺机通用技术条件[S].

[6]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学(I):第六版[M].北京:高等教育出版社,2002.

篇2：惊险过山车

我喜欢刺激,所以今天的重头戏是过山车,现在我来介绍一下这个过山车的外形。过山车可以容纳24个人,它要首先缓冲到最顶端,然后再停顿一会,再直接倒冲下来,然后绕一个圈之后,再绕一个圈,最后就到了原点,总共30秒。考验的就是胆量。

我排了1个小时的队,一直在做心理准备,突然我看到两个字“离心”,我顿时害怕起来,心脏还会离开?听了一旁爸爸的解释,我顿时头上掉了三根黑线,我被自己蠢爆了,离心就是离开地心引力的意思。

过了一会儿,工作人员说:“还有没有一个人的?”一旁的爸爸突然喊道:“有,我女儿!”我不可思议地看着他,只见他一脸贼笑地望着我,然后我就上了过山车。

突然过山车开始了,我已经做好准备了,过山车缓缓上升,我努力睁开双眼,到达最上空,突然从上空降下来,我放声尖叫,绕第一个圈时,我已经感觉快要飞出去了,整个人身体悬挂,一下又到了第二个圈,尖叫声环绕在上空,身体里的血液都充到了脑子里。几秒后,到达了原点。我惊魂未定,拍拍胸口,下来时,我吓得腿发软,差点摔了个跤。然后一脸仇恨地望着爸爸,心里如波涛汹涌。

过山车,果真名不虚传啊!

篇3：向过山车请教科学问题

对于全世界的过山车迷们来说,这着实是个好消息,但出于普通人对安全的慎重考虑,我们只想多问一句,它真的不会掉下来吗?

问题1:过山车究竟是什么车?

乍一看,过山车很像是普通的小火车,车厢一节连着一节,车上坐着游客,在固定的轨道上运行。但实际上,与火车最大的不同在于,过山车本身并没有动力来源。

我们平常所说的过山车,是特指游客乘坐的小列车,实际上,整个过山车的组成部分还应该包括——滑行轨道、立柱、牵引系统、制动系统、站台、电气系统等。每一部过山车从站台出发后,都会先进入一段上坡,这段上升轨道里的机械装置会将小列车推上最高点,但之后,就再也没有外力为它提供动力了,它只能依靠自己的重力势能变成动能及惯性使自己前进。

另外,与火车明显不同的,还有过山车的轮子。

大家都见过火车的车轮,那是一个巨大的圆盘,圆盘的侧面一圈都是凹进去的,牢牢压住下方的铁轨。而过山车需要在空中进行盘旋、倒转等动作,它的轮子就必须特别一点了。

目前世界上的过山车可以分为两大类。第一类是木制过山车,它出现得比较早,轨道和车轮近似于火车,特别之处在于,车轮的下方还配备了另外一组轮子,用来在轨道的下方滚动,防止车厢被甩到空中。第二类是钢管过山车,从20世纪50年代开始出现。它的轨道是空心的无缝钢管,它的车轮有三组,除了传统的一组安置在轨道正上方外,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阶段时极为重要。

问题2:过山车是如何开动的?

过山车没有动力来源,又如何带着游客完成那些刺激的冒险旅程呢?让我们从头到尾来观察一下过山车的运行全过程。

首先,游乐场的工作人员会按下一个按钮,闸打开了,原本安静呆在站台里的过山车开始缓缓向前移动。很快过山车就来到了上坡的地方,牵引系统出现了。

目前,大多数过山车的牵引系统都是链条式的,链条安装在轨道的下面,并沿坡道向上延伸,固定成一个环形,跟我们日常生活中遇到的扶梯类似。

这个环形的两侧,即坡道的底部和顶端,各有一个传动装置,由电动机负责转动。电动机转动链条,使其像一个传送带那样持续不断向坡顶移动。等过山车到达的时候,车厢下面的锁簧会自动钩住链条的链节,链条就会拉着列车向坡顶行进。等到达最高处,锁簧会自动松开,这时候,过山车就只能“靠自己”了。

有上坡,自然就得下坡。通常在经过初期的爬升阶段后,游客们会立刻发现自己接下来要面对一段非常长的陡峭下坡。这时,过山车没有选择,它只能在重力的作用下迅速向地面俯冲。

事实上,过山车在接下来的行驶中唯一能借助的就只有“重力势能”了。而这个重力势能是由前面传动装置的电动机给的,这个能量经过精确计算,足够完成下面的大回环运动。什么是重力势能?即物体因其所处位置而拥有的能量,它是由于物体和地球的引力相互作用而产生的。以骑自行车为例,你辛苦骑上坡(对车做功),下坡的时候就可以不用踩,自行车自己就会冲下去。你爬的坡越高(做的功越多),自行车就能冲得越远。

问题3:过山车为什么不会掉下来?

对过山车来说,它的势能在被拖到第一个上坡的顶端时达到了最大值。当它开始向下运动时,它的势能就不断地转化成了动能,也就是运动的能量,使过山车能够继续前进。

在前进的过程中,大多数过山车都会遇到一个难题,那就是竖直大回环,即轨道前方出现了一个大圆圈。这意味着,游客们会沿着轨道,仰面朝上冲进回环,并且在最高处的时候,完全呈现头朝下的状态。有些过山车爱好者最喜欢的就是这个时候,因为在短短几秒钟的时间里,由于处在失重状态,你会感到轻如羽毛,眼中看到的是一个倒过来的世界。

大回环实际上就是一个离心机装置,在回环里,游客受到的合力不断变化:在回环的底部,离心力方向与重力一致,此时游客感觉到身体特别沉重(即超重状态)。当一路冲上回环时,游客会感到离心力将自己向座位方向挤压。到了回环顶部,游客完全倒了过来,重力想把游客拽下去,但此时离心力比重力更大,且方向直指天空,把游客按在了座位上。此时可能会出现短暂的失重现象,但是从理论上来说,只要达到了一定的速度,就算没有安全护具,游客也百分百不会掉下来。当然,出于安全考虑,最好还是做足防护措施。

根据能量守恒原理,如果不考虑空气的阻力和轨道的摩擦力,那么,运动中的过山车,无论处在何处,它具有的势能和动能之和,都应该等于它在第一个坡顶时的势能。而玩过过山车的朋友如果注意观察,一定会发现,过山车所有运动轨迹中,第一个坡顶最高,它比大回环的最高处要高许多。这意味着,过山车在第一个坡顶积蓄的势能要比它在大回环最高处的势能大得多。因此,在势能-动能的转化中,会有足够的动能保证过山车以一定速度安全通过大回环的最高点,而不会掉下来。

问题4:过山车的最佳座位在哪里?

据说,坐在过山车的不同车厢里,游客会收获不同的体验,这是真的吗?

我们知道,过山车的所有车厢都是在相同轨道上运行的,因此重力会在大体相同的点使其产生加速和减速。但除了受到重力的作用外,每个车厢还受到与其相连的车厢的推力和拉力作用。正是这个附加力导致了过山车每节车厢给人的感觉略有不同。

为了理解其原理,让我们假定过山车到达了轨道的顶部。当第一节车厢越过顶点后,重力开始将其沿轨道的下坡向下拉,导致第一节车厢开始加速,这将带动第二节车厢加速,进而带动第三节车厢加速,以此类推。当最后一节车厢移过顶点时,重力使第一节车厢加速已有一段时间。

尾部的车厢到达顶部时的加速度要比第一节车厢大,而这个增加的力实际上将车厢推过顶点,并突然作用在游客身上,让游客感觉自己几乎要从座位上飞出去。因此,对于许多人而言,尾部的最后一节车厢,是在乘坐过山车时的最佳位置。

但在大多数过山车中,从尾部车厢并不能很好地看到轨道,因为视线被前面的人挡住了。

乘坐过山车时,良好的视线非常重要,这会让您感受到速度和危险——过山车设计者刻意在轨道附近放置各种障碍物,让人感觉到过山车似乎就要失去控制。在典型的过山车设计中,前面车厢的游客可以无障碍地看到所有这些障碍物从身边闪过。

篇4：为什么蛋价犹如过山车

以辽宁红大蛋为例蛋价从年前的8.4元/千克转到年后2、3、4月的6.2元/千克左右, 从4月下旬开始到5月份中旬, 蛋价快速上升到8元/千克以上, 完成了一个“U”字型的转化。此过程中蛋价平均为7.2元/千克左右。

去年同期, 蛋价也有个类似的过程从年前的6元/千克下降到4月中旬的5.2元/千克, 后于6月上旬回升到6元/千克以上。此过程中蛋价平均为5.4元/千克左右。

我们可以看到其相同之处是类似的降价、价升的“U”型过程。不同之处是每千克整体价位明显上升了1.8元左右。因为去年正常饲养的底价为6元千克左右, 养殖场处于明显的亏损状态。今年的正常饲养的底限为6.6元/千克左右。也就是今年低价期总体还是在挣钱, 只不过挣得少了。

2 造成今年与去年不同变化的原因

由于去年上半年蛋价低于正常养殖的底价, 饲养高成本的压力之下, 养鸡场采取了快速淘汰鸡的极端措施。估计去年春天的总淘鸡量能占到总养殖量的四分之一左右, 导致鸡蛋供应减少, 使得蛋价在6月份就开始回升到6元/千克以上。后期更是远远超过正常饲养的底价。

今年年后, 蛋价快速下跌, 一是蛋价在年前冲高后自然有个回落, 第二个原因就是, 去年下半年, 高蛋价下养鸡场引雏较多, 在春天部分鸡群已进入了产蛋高峰时, 蛋价供应明显增加。

3 今年上半年蛋价快速增长之谜

主要原因是疾病因素, 从去年冬天到今年春天, 我国自北向南和自南向北, 在许多养殖区域出现了部分传播的病毒病, 导致部分鸡群降蛋、死鸡, 在一些地区甚至引起了流行。

疾病所引起的鸡蛋供应减少。大大减缓了蛋价的进一步下滑。当疾病的因素逐渐显现时, 鸡蛋由供应充足转化为紧张了, 在端午节等节日的影响下蛋价被进一步推高。

初步估计, 去年冬天到今年春天, 因病致淘的鸡群大多在150～280天之间, 都是鸡蛋生产的主力军, 淘鸡总量大约能占总养鸡量的四分之一左右。

所以说, 蛋鸡养殖业的总体利润并没有因蛋价高而增加了。只不过现在挣钱的一些养殖场的钱来自于淘鸡亏钱的那些养殖场。从鸡蛋养殖的整体上来看, 钱只不过从一个口袋放到另一个口袋了而已。

4 引起鸡群降蛋、死鸡的主要原因

从各地反映的情况来看, 引起降蛋和死鸡的主要原因无疑是禽流感和新城疫。由于病毒作用的表现方式可能不尽一致。使一些养鸡场 (户) 受到的损失甚为严重, 所以对疫苗有效性的怀疑可以说是不绝于耳。

对付病毒变异的方法, 一是需要及时地鉴定和分离病毒, 如果这种变异引起疫苗的有效性大大降低, 就应该及早更换以新的病毒基础的疫苗;二是需要及时地发现病情并采取相关的防疫措施, 做到“早、快、严、小”地控制疾病。如果做不到以上两点, 新的变异病毒无疑有可能在今年冬季、明年春季大加肆虐。如果这种担心成为可能, 那下半年再多上鸡, 也保障不了鸡蛋的数量。疾病的影响将会是未来日子中的一件大事。

5 下半年蛋价情况

目前, 淘汰鸡又恢复到10.8元千克的高位。就是淘汰鸡基本上处于较少的状态。仍以辽宁为例, 蛋鸡仍处于7.8元/千克左右的价位。因为今年春天引雏上鸡的量不小, 所以下半年的鸡蛋供应是稳步增加的, 正常情况下, 蛋价有可能出现缓慢的下降状态, 总体变动可能在7～8元/千克之间, 10月节前和年前价格会向上涨一些。

当然, 如果秋冬出现比春天更严重的疫情, 则蛋价有可能出现较大幅度的增长, 甚至远超8.4元/千克。但这个情况最不好估计。

6 我国的蛋鸡究竟有多少

在各种文章和报告中说法不一, 有的说24亿只, 有说18亿、15亿、12亿只等等。24亿只鸡, 就意味着有16亿只在产蛋, 中国人平均每人一天得吃1.2个鸡蛋, 这可能吗?显然不可能。5亿多城市人每天吃一个鸡蛋的也不会占到一半人, 农村的消费水平约为城市的二分之一左右。

所幸, 业内自我统计和估算, 我们的蛋鸡养殖量也就是10亿只左右。产蛋鸡群约为6亿多, 青年鸡和雏鸡约占3亿多, 每年淘汰和新补鸡只均约在6亿左右。中国人每天平均消费鸡蛋也就是不到半个。