自制桌面过山车

段玉佩

要说游乐场中最受欢迎的游乐设施是什么？那一定是过山车了！它时而驰向天空，时而驶入深渊，承载着全车人的惊呼，翻着跟头飞驰，风驰电掣般地越过一个又一个转弯，待到终于下了车，狂跳的心还要等好久才能重归平静。今天，我们就要借助科学的力量，来创造一辆“飞驰”在书桌上的过山车。

实验材料

硬质彩纸、胶带、剪刀、尺子、铅笔、硬纸板、玻璃弹球

实验步骤

构建直线轨道：用彩纸剪一条宽7.5厘米的长方形纸带，用铅笔和尺子将它平均划分为三个条带，每条宽度为2.5厘米。将两边的条带沿分界线向上折叠90度，形成墙壁。如此，一条笔直的过山车直线轨道就完成了。

构建环形轨道或“迷你山丘”：和做直线轨道的第一个环节一样，绘制两条平行線，将其分成三条 2.5 厘米宽的条带。再用剪刀将两边条带剪成一条条宽度相等的小“锯齿”，然后将每页小片沿着分界线向上折叠成90度。再将轨道弯曲成你想要的弧度或者环形，借助同伴的帮忙用胶带固定相邻的小片，使其造型固定下来。

平弯轨道：平弯轨道与直线轨道和环形轨道都不一样，它同时拥有直线轨道的水平特点和环形轨道的弧度特点。制作它的第一个环节依然不变，剪纸带，平均划分三个条带（宽度2.5厘米）。接下来，用剪刀在纸带的左、右其中一侧剪成一页一页宽度相等的小片。再将剪的小片沿着分界线折成90度，进行单侧轨道平面弯曲，接下来用胶带固定相邻的小片，使其保持造型固定。完成后，三种轨道的制作方法就都介绍完了，你也可以根据自己的创意再制作相应数量和长度的轨道。

支撑柱：过山车从高处滑出离不开支撑柱的帮忙。我们需要剪两条8厘米宽的纸带，用铅笔和尺子在每条纸带上平均划分出四个条带，每条宽度为2厘米。在纸带的顶端，用剪刀沿着直线剪出2.5厘米的长条。将这两条处理好的纸带折叠成底面边长为2厘米的四棱柱，同时将剪开的四个2.5厘米长条向外翻，以“十字形”将四棱柱支撑架粘贴固定在硬纸板上。

将制作好的各类型轨道组合好，首尾连接并确保轨道畅通。要确保从支撑架的起点开始到终点的过程中，轨道的走势是依次下降的，这样过山车才可以顺利通过。轨道制作完成之后，用玻璃弹球测试一下过山车是否可以顺畅地从轨道的起点走到终点？如果过程中有卡顿，可以将起始高度变高，这样玻璃弹球就可以获得更快的加速度，另外也可以将平弯轨道的弧度变小，便于节省能量损耗。

实验原理

过山车不同于汽车或者火车，它本身是没有动力驱动装置的。不管你坐哪里的过山车，一定都会记得在过山车真正“飞奔”之前，总需要一个缓慢的爬升阶段。到达高峰后，过山车就获得了一种叫作重力势能的能量，过山车到达的位置越高，其拥有的重力势能也就越大。在过山车的“飞奔”过程中，重力势能转化为飞奔的动能，也有一部分能量在过山车与轨道和空气的摩擦过程中转化为热能而消失。由于摩擦而损失动能能量永远不会大于过山车的初始潜在能量总量。这意味着设计师必须确保过山车有足够的初始潜在能量，使其通过轨道的其余部分。如果过山车不能完成一个完整的轨道，那就需要加高高度，使其有更多的动力势能在之后的过程中转换为动能，但如果轨道太长，摩擦最终也可能导致过山车中途停止。

实验升级

优秀的工程师可以通过计算过山车攀爬的高度以及弹球的质量等影响因素，计算出获得的重力势能和飞奔后转化的动能及消失的热能。为了让过山车达到最佳状态，你将如何设计最经济、最安全，能量损失最小的过山车呢？

（责任编辑 / 陈天昊   美术编辑 / 胡美岩）