ترن هوایی چگونه حرکت می کند؟
وسائل سرگرمی بسیاری در شهربازی های مختلف دنیا دیده می شوند که به جرات می توان گفت ترن هوایی جذاب ترین آنها است. این وسیله که اولین بار با نام کوه های روسی در قرن 18 میلادی معرفی شد، بسیاری از مردم را با هیجان وحشتناک و در عین حال جذاب و سرگرم کننده آشنا کرد. حالا ترن های هوایی بزرگتر، بهتر و حتی ترسناک تر شده اند و جزو لاینفک شهربازی های مدرن هستند.
امروزه مهندسان سعی دارند با راه حل های خود این لذت را افزایش دهند. این به آن معنا است که ترن ها می توانند روی خطوط آهنی به اندازه یک خودروی مخصوص مسابقات درگ ریس سرعت بگیرند و تجربه ای فراموش نشدنی از نیروی جی (G) را به سرنشینان خود منتقل کنند. نیرویی به اندازه خودروهای فرمول یک! البته این وسائل سرگرمی کاملاً ایمن هستند و استانداردهای سختگیرانه مهندسی را پشت سر گذاشته اند.
مردم کیلومترها سفر می کنند و بعضاً قاره ها را می پیمایند تا فقط برای چند دقیقه، لذت و هیجان ترن هوایی را تجربه کنند اما چرا؟ در این مقاله شما می توانید با نحوه کار ترن هوایی آشنا شوید.
ترن های هوایی از عناصر و بخش های زیادی تشکیل می شوند که هر کدام خصوصیات فیزیکی خاص خود را دارند. طراحان با بهره گیری از ادراک فیزیکی خود دنباله ای از هیجان را پدید می آورند و همین موضوع شخصیت هر ترن را با دیگری متفاوت می کند تمامی بخش های یک ترن هوایی به هم متصل است و می تواند سواری هیجان انگیز و فراموش نشدنی را به مسافران خود عرضه کند.
مهندسان به منظور حفظ ایمنی، با بهره گیری از مدل های کامپیوتری می توانند مقدار نیرویی که در هر بخش مسیر و پیچ ایجاد می شود، اندازه گیری و بررسی کنند تا از مرز مشخصی فراتر نروند. اگرچه ظاهر یک ترن هوایی شبیه به مارهایی آهنی می ماند که در هم پیچ و تاب خورده اند اما واقعیت این است که برای حرکت یک قطار در آن، چندین هزار ساعت وقت صرف شده تا به شکلی دقیق کار کند.
نحوه حرکت ترن هوایی
همانطور که احتمالاً می دانید، ترن هوایی برای حرکت از هیچ موتور یا پیشرانه ای استفاده نمی کند. به جای آن طبق اصل پایستگی انرژی، ابتدا با یک نیروی خارجی به بالاترین ارتفاع ممکن می رسد و به دلیل اختلاف ارتفاع با دیگر نقاط مسیر، انرژی پتانسیل ذخیره می کند. سپس این انرژی پتانسیل با افت و خیز قطار، مدام با انرژی جنبشی مبادله می شود. انرژی جنبشی ایجاد شده در اثر کاهش ارتفاع، قطار را حرکت می دهد و با افزایش ارتفاع، دوباره انرژی پتانسیل ذخیره می شود. به همین دلیل ترن هوایی می تواند بدون حتی یک موتور الکتریکی یا بنزینی، در مسیر بالا و پایین برود و پیچ و تاب بخورد.
شیوه های بسیاری برای شروع حرکت قطار و رفتن آن به سمت بالا وجود دارد. بطور سنتی، یک غلتک بالابرنده وظیفه این کار را بر عهده دارد. پس از رسیدن به بالاترین نقطه دیگر نوبت نیروی گرانش است تا انرژی پتانسیل ذخیره شده را به هیجان و سرعت تبدیل کند. در بعضی از ترن ها، یک زنجیر به زیر قطار قفل می شود تا آن را بکشد. همچنین بعضی دیگر از کابل یا چرخ استفاده می کنند. البته نباید پرتاب منجنیقی را فراموش کرد که از طریق یک موتور یا کاهش وزن ناگهانی، باعث شتاب سریع قطار می شود.
در ترن های جدیدتر برای پرتاب و شروع حرکت از چند موتور استفاده می شود تا قطار در مسیر مستقیم و با رسیدن به شتاب کافی، حرکت کند. موتورهای القایی خطی که از نیروی الکترومغناطیسی بهره می برند، قابلیت کنترل بیشتری دارند. بعضی از ترن های هوایی در بخش های مختلف مسیر از این موتورها بهره می برند تا نیروی ذخیره شده حاصل از بالا رفتن خنثی شود. بنابراین دست طراحان برای ایجاد مسیرهای متفاوت باز خواهد بود.
امروزه پرتابگرهای هیدرولیکی هم طرفدار زیادی پیدا کرده اند. مهندسان با محاسبات پیچیده اما دقیق، انرژی مورد نیاز ترن هوایی را در یک دور اندازه گیری می کنند تا قطار بتواند مسیرش را بطور کامل طی کند. وجود یک مسیر فرار به منظور ترمزگیری به دلیل تغییر در وزن مسافران دورهای مختلف، می تواند سرعت قطار را کنترل کند. رعایت این نکات ایمنی سبب می شود سرنشینان در عین لذت بردن از هیجان ترن هوایی، نگرانی از بابت رخدادی غیر منتظره را نداشته باشند.
بررسی فیزیکی حرکت ترن هوایی
همانطور که پیشتر گفتیم، ترن های هوایی با استفاده از یک نیروی خارجی حرکت خود را آغاز می کنند. این غلبه بر بی تحرکی، مقاومتی در برابر سرعت را به دنبال دارد که با مقدار وزن قطار تغییر می کند. قطاری که وزن بیشتری دارد، مقاومت بیشتری در برابر سرعت گرفتن از خود نشان می دهد. با نیرو دادن به قطار در هنگام شتاب گیری، واگن ها می توانند نیروی پتانسیل بیشتری در خود ذخیره کنند. طراحان سعی می کنند با روش هایی این مقاومت در برابر تحرک را کاهش دهند که از جمله آنها می توان به بهره گیری از چرخ های کم اصطکاک اشاره کرد.
هدف از شتاب گیری، ذخیره انرژی تا رسیدن به تاج ترن هوایی و سپس آزاد کردنش به صورت انرژی جنبشی تا صعود بعدی است. به دلیل وجود اصطکاک، شیب های بعدی کوتاه تر از قبلی خواهد بود تا قطار متوقف نشود. گرانش و جاذبه زمین مهم ترین اثر را در حرکت یک ترن هوایی دارند. طراحان سعی می کنند با بهره گیری از این گرانش و تغییر در مقادیر انرژی جنبشی و پتانسیل، واگن ها را به حرکت درآورند و چه بسا، تجربه ای بی مانند از ترن هوایی را برای مسافران بسازند و برای نمونه احساس بی وزنی که در بخش دایره ای مسیر ایجاد می شود، به لطف نیروی گریز از مرکز است که در واقع نیروی گرانش را خنثی می کند.
نیروی گریز از مرکز مثل آن است که نیروی خارج از مرکز چرخش، بر شما وارد می شود، در حالی که به ریسمان یا طنابی متصل نیستید. در ترن هوایی، اینطور به نظر می رسد که شما به کف قطار فشرده می شوید اما واقعیت عکس آن است؛ در حقیقت نیرویی خارجی قطار را به سمت مرکز چرخش هل می دهد.
سواری مهیج به لطف جی
هدف سواری با ترن هوایی، بدست آوردن تجربه ای متفاوت از هیجان است. هیجانی که در هیچ وسیله مشابهی نمی توان پیدا کرد. وجود محدودیت هایی به منظور ایمنی کامل و در نظر گرفتن فیزیولوژی انسان از طرف طراحان، سبب می شود هیچ وقت نگران اتفاق ناگواری نباشیم. بدن انسان در برابر نیروهای عمودی توانایی تحمل بیشتری دارد. در بسیاری از ترن های هوایی و در بخش های خاصی از مسیر، سرنشنیان به صندلی هایشان فشرده می شوند، بطوریکه ممکن است این میزان به بیش از 6 جی برسد اما مشکلی برای آنها پیش نمی آید.
وارد شدن نیروهای جانبی مهم ترین دلیل کج شدن ترن هوایی است. این کج شدن البته کمک می کند تا نیروی جانبی تا حد 1.5 جی کاهش یابد و از آسیب به گردن سرنشینان جلوگیری کند. البته در مقابل مقادیر بالاتر نیروی جانبی، باید مهندسان جوانب احتیاط را رعایت کنند. با این حال، ترن هوایی تنها وسیله ای است که می تواند همانند یک خودروی مسابقه ای یا شاتل فضایی، چنین نیرو قدرتمندی را به بدن مان وارد کند.
کمربندهایی که جان مان را حفظ می کنند.
برای ایمنی سرنشینان دو نوع کمربند وجود دارد. نوع اول Lap bar یا میله دامان است که در ترن های هوایی قدیمی تر استفاده می شود. در واقع یک میله بزرگ متصل به کف واگن قطار متصل است. میله ای که به سمت پای مسافر خم و در هر دو طرف واگن قفل می شود. این قفل شدن در هر دو طرف، به آن معنا است که در صورت خرابی یا مشکل یکی از میله ها، طرف دیگر همچنان قادر به حفاظت از سرنشینان خواهد بود. اگرچه طرفداران متعصب ترن هوایی، این نوع را دوست دارند اما متاسفانه امنیت بالایی ندارد و احتمال هر گونه آسیبی وجود دارد.
امروزه نگه دارنده بالای شانه، کمربند ایمن تری است و بسیاری از ترن های هوایی جدیدتر از آن استفاده می کنند. این نوع کمربندها، از پدهای حفاظتی U شکل بهره می برند که میله هایی فلزی در خود دارند. نگه دارنده بالای شانه همانطور که از اسمش مشخص است، با چرخش از بالا روی شانه های سرنشین قرار می گیرد و او را محکم در سر جایش قرار می دهد. بنابراین در چرخش های وارونگی حداکثر ایمنی را فراهم می کند. در این نوع از کمربندها، از بند دومی هم گاهی استفاده می شود تا پد حفاظتی حتی جلوی کوچکترین حرکت را بگیرد.
قطاری که از ریل خارج نمی شود.
همانطور که اشاره کردیم قطار ترن هوایی از هیچگونه موتور یا پیشرانه ای که به آن متصل باشد، استفاده نمی کند. آنها ابتدا با استفاده از یک نیروی خارجی به بالاترین ارتفاع ممکن می رسند و سپس با جابجایی مقادیر انرژی بین دو نوع انرژی پتانسیل و جنبشی به حرکت شان ادامه می دهند. البته امکان دارد که این بالا رفتن از مسیر با بهره گیری از موتورهایی باشد که به چرخ ها متصل می شوند.
به صورت کلی، چرخ هایی در زیر، کنار ریل و متصل به قطار به منظور توقف و باقی ماندن آن در مسیر وجود دارند که جزو ملزومات ایمنی هر ترن هوایی شناخته می شود. همچنین چرخ هایی بین ریل و بدنه قطار نصب شده اند که توزیع بار را انجام می دهند. با توجه به افت و خیزها، زوایای شَدید و سرعت بالای قطار واگن ها معمولاً با یک اتصال انعطاف پذیر و البته ایمن به هم متصل می شوند. ساختار واگن ها نیز معمولاً از جنس فولادی است که البته در ترن های هوایی کلاسیک از نوع چوبی آن استفاده می شود.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «ترن هوایی چگونه حرکت می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله متین نصیری در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
