Introdução
Se você está estudando Física, existem poucas salas de aula mais excitantes que uma montanha-russa. As montanhas-russas são movidas quase inteiramente pelas forças inerciais, gravitacionais e centrípetas, colocadas a serviço de um passeio incrível. Os parques de diversões estão constantemente apostando em montanhas-russas mais rápidas e complexas, mas o princípio fundamental permanece o mesmo.
À primeira vista, uma montanha-russa é parecida com um trem de passageiros: ela consiste em uma série de vagões conectados que se movem sobre trilhos. Mas, ao contrário de um trem de passageiros, ela não possui motor ou fonte de energia própria.
Na maioria dos percursos, a montanha-russa é movida apenas pelas forças de inércia e da gravidade. A única aplicação de energia ocorre bem no início da viagem, quando o trem é puxado para cima da primeira colina (chamada colina de elevação).
O propósito dessa ascensão inicial é propiciar um certo acúmulo de energia potencial. O conceito de energia potencial, geralmente chamada de energia de posição, é bem simples: à medida que o vagão sobe, aumenta a distância em que a força da gravidade irá puxá-lo para baixo. Você pode experimentar esse efeito a todo momento. Imagine-se dirigindo o seu carro, andando de bicicleta ou descendo uma colina de trenó. A energia potencial que você acumula subindo a colina pode ser convertida em energia cinética, a energia de movimento que o leva morro abaixo. A energia cinética tem tudo a ver com montanhas-russas.
Convertendo energiaComo vimos acima, a colina de elevação em uma montanha-russa serve para acumular energia potencial. Quando você começa a descer a primeira elevação, a gravidade faz com que toda a energia potencial armazenada seja convertida em energia cinética. A gravidade aplica uma força descendente constante sobre os vagões.
Na maioria dos percursos, a montanha-russa é movida apenas pelas forças de inércia e da gravidade. A única aplicação de energia ocorre bem no início da viagem, quando o trem é puxado para cima da primeira colina (chamada colina de elevação).
O propósito dessa ascensão inicial é propiciar um certo acúmulo de energia potencial. O conceito de energia potencial, geralmente chamada de energia de posição, é bem simples: à medida que o vagão sobe, aumenta a distância em que a força da gravidade irá puxá-lo para baixo. Você pode experimentar esse efeito a todo momento. Imagine-se dirigindo o seu carro, andando de bicicleta ou descendo uma colina de trenó. A energia potencial que você acumula subindo a colina pode ser convertida em energia cinética, a energia de movimento que o leva morro abaixo. A energia cinética tem tudo a ver com montanhas-russas.
Convertendo energiaComo vimos acima, a colina de elevação em uma montanha-russa serve para acumular energia potencial. Quando você começa a descer a primeira elevação, a gravidade faz com que toda a energia potencial armazenada seja convertida em energia cinética. A gravidade aplica uma força descendente constante sobre os vagões.
A energia na montanha-russa está sempre se convertendo de energia potencial para cinética e vice-versa. No topo da colina de elevação (a), a energia potencial está no seu valor máximo, já que o trem está no ponto mais alto possível. À medida que o trem desce a colina, esta energia potencial é convertida em energia cinética, e o trem acelera. Na base da colina (b), a energia cinética está no máximo e a energia potencial no mínimo. A energia cinética impulsiona o trem até a segunda colina (c), aumentando o nível de energia potencial. Quando o trem entra no loop (d), há muita energia cinética e pouca energia potencial. A energia potencial aumenta à medida que o trem chega ao ápice do loop (e), mas logo é convertida novamente em energia cinética quando o trem termina a volta (f).Os trilhos da montanha-russa servem para direcionar esta força; eles controlam a maneira como os vagões descem. Se os trilhos inclinam-se para baixo, a gravidade atrai a frente do vagão em direção ao chão, acelerando-o. Se os trilhos inclinam-se para cima, a gravidade aplica uma força descendente sobre a traseira do vagão, desacelerando-o.
Morro acima e morro abaixoComo um objeto em movimento tende a permanecer em movimento (Primeira Lei de Newton), o vagão manterá uma velocidade para frente mesmo ao subir o trilho, quando estará indo contra a força da gravidade. Quando o vagão sobe até o alto da colina seguinte à colina de elevação inicial, sua energia cinética converte-se novamente em energia potencial. Desta maneira, o percurso da pista está constantemente convertendo energia cinética em potencial e vice-versa. Essa variação na aceleração é o que torna as montanhas-russas tão divertidas.
Morro acima e morro abaixoComo um objeto em movimento tende a permanecer em movimento (Primeira Lei de Newton), o vagão manterá uma velocidade para frente mesmo ao subir o trilho, quando estará indo contra a força da gravidade. Quando o vagão sobe até o alto da colina seguinte à colina de elevação inicial, sua energia cinética converte-se novamente em energia potencial. Desta maneira, o percurso da pista está constantemente convertendo energia cinética em potencial e vice-versa. Essa variação na aceleração é o que torna as montanhas-russas tão divertidas.
Na maioria das montanhas-russas, as colinas diminuem em altura ao longo do trajeto. Isto é necessário porque o acúmulo total de energia na colina de elevação é perdido gradualmente devido ao atrito entre o trem e os trilhos, bem como entre o trem e o ar. Ao chegar no final da viagem, a reserva de energia potencial está quase esgotada. Neste ponto, o trem pode parar ou seguir para a colina de elevação para mais uma volta.
A montanha-russa, em sua forma mais simples, é basicamente isso: uma máquina que usa a gravidade e a inércia para movimentar um trem ao longo de uma pista sinuosa. Nas próximas seções, analisaremos os diferentes dispositivos que a fazem funcionar.
Desperado - Buffalo Bill's Resort & Casino
A montanha-russa, em sua forma mais simples, é basicamente isso: uma máquina que usa a gravidade e a inércia para movimentar um trem ao longo de uma pista sinuosa. Nas próximas seções, analisaremos os diferentes dispositivos que a fazem funcionar.
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