Física de las montañas rusas

La física de las montañas rusas comprende la mecánica que afecta al diseño y funcionamiento de estas atracciones , máquinas que utilizan la gravedad y la inercia para impulsar un tren de vagones a lo largo de una vía sinuosa. La gravedad, la inercia, las fuerzas G y la aceleración centrípeta generan en los pasajeros fuerzas que cambian constantemente, creando sensaciones específicas a medida que la montaña rusa recorre la vía.

Una montaña rusa es una máquina que utiliza la gravedad y la inercia para impulsar un tren de vagones a lo largo de una vía sinuosa. ^{[ 1 ]} La combinación de gravedad e inercia, junto con las fuerzas G y la aceleración centrípeta, produce en el cuerpo ciertas sensaciones a medida que la montaña rusa sube, baja y recorre la vía. Las fuerzas que experimenta el pasajero cambian constantemente, lo que genera sentimientos de alegría y euforia en algunos pasajeros y náuseas en otros.

Inicialmente, el vagón es remolcado hasta la cima de la primera colina y liberado, momento en el que rueda libremente por la vía sin asistencia mecánica externa durante el resto del recorrido. El propósito del ascenso a la primera colina es acumular energía potencial que luego se convertirá en energía cinética a medida que avanza el recorrido. La colina inicial, o colina de ascenso , es la más alta de todo el recorrido. A medida que el tren es remolcado hasta la cima, gana energía potencial, como se explica en la ecuación de energía potencial que aparece a continuación:

${\displaystyle U_{g}=mgh}$

donde U _g es la energía potencial, m es la masa , g es la aceleración debida a la gravedad y h es la altura sobre el suelo. Por lo tanto, dos trenes de masa idéntica a diferentes alturas tendrán energías potenciales diferentes: el tren a mayor altura tendrá más energía potencial que el tren a menor altura. Esto significa que la energía potencial del sistema de montaña rusa es máxima en el punto más alto de la vía, o en la cima de la colina de ascenso. A medida que el tren de la montaña rusa comienza su descenso desde la colina de ascenso, la energía potencial almacenada se convierte en energía cinética, o energía de movimiento . Cuanto más rápido se mueve el tren, más energía cinética gana, como lo muestra la ecuación de la energía cinética:

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

donde K es la energía cinética , m es la masa y v es la velocidad. Dado que la masa de un vagón de montaña rusa permanece constante, si la velocidad aumenta, la energía cinética también debe aumentar. Esto significa que la energía cinética del sistema de montaña rusa es máxima en la parte inferior de la pendiente descendente más pronunciada de la vía, generalmente en la parte inferior de la subida. Cuando el tren comienza a subir la siguiente colina de la vía, la energía cinética del tren se convierte de nuevo en energía potencial, disminuyendo la velocidad del tren. Este proceso de conversión de energía cinética a energía potencial y viceversa se repite con cada colina. La energía nunca se destruye , sino que se pierde por la fricción entre el vagón y la vía, deteniendo por completo el recorrido.

Al recorrer el loop vertical de una montaña rusa , la inercia —queen este caso produce una emocionante fuerza de aceleración— también mantiene a los pasajeros en sus asientos. A medida que el vagón se acerca al loop, la dirección de la velocidad inercial del pasajero apunta hacia adelante con el mismo ángulo que la vía que conduce al loop. Al entrar en el loop, la vía guía el vagón hacia arriba, elevando también al pasajero. Este cambio de dirección crea una sensación de gravedad adicional, ya que el pasajero es empujado hacia abajo contra el asiento.

En la parte superior del bucle, la fuerza de la aceleración del coche empuja al pasajero fuera del asiento hacia el centro del bucle, mientras que la inercia lo empuja de nuevo hacia el asiento. Las fuerzas de gravedad y aceleración empujan al pasajero en direcciones opuestas con una fuerza casi igual, creando una sensación de ingravidez .

En la parte inferior del loop, la gravedad y el cambio en la dirección de la inercia del pasajero, de vertical a horizontal, lo empujan contra el asiento, provocando que vuelva a sentir una gran sensación de peso. La mayoría de las montañas rusas utilizan sistemas de sujeción , pero las fuerzas ejercidas por la mayoría de las montañas rusas invertidas impedirían que los pasajeros se cayeran.

Las fuerzas G (fuerzas gravitatorias) crean la llamada sensación de "mariposa" que se siente cuando un coche baja una pendiente. Una aceleración de 1 gravedad estándar (9,8 m/s² ⁾ es la fuerza habitual de la atracción gravitatoria de la Tierra que actúa sobre una persona en reposo. La medición del peso normal de una persona incorpora esta aceleración gravitatoria. Cuando una persona se siente ingrávida en la cima de un loop o al bajar una colina, está en caída libre . Sin embargo, si la cima de una colina tiene una curva más pronunciada que una parábola , los pasajeros experimentarán fuerzas G negativas y saldrán despedidos de sus asientos, experimentando la llamada sensación de "mariposa" o "tiempo en el aire". 

Una montaña rusa de madera tiene una vía compuesta por finas láminas de madera apiladas, con un riel plano de acero fijado a la lámina superior. Las montañas rusas de acero utilizan rieles tubulares de acero, vigas en I o perfiles cuadrados. La estructura de soporte de ambos tipos puede ser de acero o madera. Tradicionalmente, las montañas rusas de acero empleaban inversiones para emocionar a los pasajeros, mientras que las de madera se basaban en caídas pronunciadas y cambios bruscos de dirección para ofrecer su adrenalina. Sin embargo, los avances recientes en la tecnología de las montañas rusas han propiciado el auge de las montañas rusas híbridas de acero con estructuras de madera, como New Texas Giant en Six Flags Over Texas , y las montañas rusas de madera que incorporan inversiones, como Outlaw Run en Silver Dollar City .

Los principios básicos de la mecánica de las montañas rusas se conocen desde 1865, y desde entonces las montañas rusas se han convertido en una atracción muy popular.

Con la llegada de tecnologías más avanzadas, los ingenieros comenzaron a utilizar herramientas de diseño computarizadas para calcular las fuerzas y tensiones a las que estarían sometidos los pasajeros. Actualmente, las computadoras se utilizan para diseñar montañas rusas seguras con sistemas de sujeción especiales y materiales ligeros y duraderos. Hoy en día, las vías de acero tubular y las ruedas de poliuretano permiten que las montañas rusas alcancen velocidades superiores a los 160 km/h , y se siguen construyendo montañas rusas aún más altas, rápidas y complejas. 

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