如何设计建造过山车？

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看点 你坐过过山车吗?你曾经想过自己设计吗?有很多昂贵的玩具，甚至视频游戏可以让你建造自己的过山车——但在这个项目中，你将用纸和胶带制作一个过山车，并在这个过程中学习过山车的物理知识!

材料

纸

磁带

剪刀

尺子

铅笔

瓦楞纸板

大理石。

前期工作

在你尝试建造一个完整的过山车之前，练习建造单独的轨道部分。你可以把这个模板打印出来，然后剪下来，或者按照说明用铅笔和尺子画出你自己的。

为了建立一个直线段:

剪出一条7.5厘米(3英寸)宽的纸条。

画两条平行线，将其分成3条2.5厘米宽的条状。

将两边沿这些线向上折叠90度，形成墙壁。

造一个圈或一座山:

剪出一条7.5厘米(3英寸)宽的纸条。

画两条平行线，将其分成3条2.5厘米宽的条状。

在纸的长边每隔2.5厘米做一个标记。

从这些标记向内切2.5厘米形成片。

将标签向上折叠90度。

把轨道弯曲成你想要的形状，然后把标签粘在一起，把它固定在合适的位置。这一步比较容易，两个人一个保持轨道在地方和一个做录音。

构建曲线:

剪出一条7.5厘米(3英寸)宽的纸条。

画两条平行线，将其分成3条2.5厘米宽的条状。

在纸的长边每隔2.5厘米做一个标记。

从这些痕迹向内切5厘米(2英寸)。

将纸未切割的一面折叠90度，形成一堵墙。

把另一边的标签折叠起来形成另一面墙。

由于轨道的底部被切成段，你可以水平弯曲它，形成一个曲线。把标签粘在一起，把曲线固定在合适的位置。

建立支撑支柱:

剪出一张6.25厘米(2.5英寸)宽的纸条。

画四条平行线，把它分成5条1.25厘米(0.5英寸)宽的条纹。

沿着这些线从一条边向内切2.5厘米。

沿着这些线折叠成一个正方形(这样两个部分就会重叠)，然后用胶带固定住。

把切到末端的标签向外折叠。这将允许你把标签贴在一块硬纸板上，这样你的支柱可以直立。

设计过程

我

在你开始建造之前，为你的过山车设计一个计划。在纸上画出你的设计。计算出您需要多少支持和轨道片段。确保你的大理石从山顶开始。

使用一块瓦楞纸板作为基础，根据你的计划组装你的轨道。将轨道段端到端粘在一起，以连接它们。

把弹珠在你的轨道顶部，让它走。仔细看。

思考:

会发生什么呢?它会贯穿整个轨道吗?

如果大理石一直走到最后，试着通过添加更多的碎片来延长你的轨迹。

思考:

在弹珠停下来之前，你能追踪多久?

如果你的弹珠没能撑到最后，试着找出原因。你的轨道上有没有弹珠卡住的地方?弹珠的速度太慢了吗?如果有必要，对你的设计做些改变，比如让曲线更平缓，或者开始时的山更高，然后再试一次。

发生了什么事?

如果你的起始山足够高，并且过山车的所有曲线和循环都是渐变的，那么你的大理石就应该能够一直到达终点。然而，如果你的过山车有任何急转弯或拐弯，你的大理石可能会卡住。如果你试图让你的弹珠爬上一座山，或者穿过一个比它开始时的山更高的环，它将无法完成整个过程。为什么不呢?一切都与能量有关!请阅读“深入挖掘”部分，了解更多过山车背后的物理学知识。

拓展

过山车都是关于物理的!与汽车和火车等其他交通工具不同，过山车没有沿着轨道推动它们的发动机。相反，它们依靠的是重力势能，这是它们最初被拖上一座大山时获得的。势能因物体的高度或离地面的高度而被“储存”。当过山车开始下山时，势能转化为动能，或运动的能量。当过山车回到另一座山上时，它会失去动能(它会减速)，并再次获得一些势能。由于空气阻力和与轨道的摩擦，一些能量也转化为热量，逐渐导致过山车减速。这个过程在过山车绕圈、翻山越岭、转弯时继续，直到最终回到起点。

由于能量守恒(系统的总能量必须守恒，或保持不变)，动能和因摩擦而损失的能量的总和永远不会大于过山车最初所具有的势能。这意味着过山车的设计者必须确保过山车有足够的初始势能通过剩下的轨道。这对设计造成了一些限制。例如，过山车不能绕圈，也不能翻越比起点更高的山峰，因为爬得更高需要的能量会超过它所能提供的能量。如果轨道太长，摩擦力可能最终导致过山车完全停止。

为了制作一个成功的纸杯垫，你必须考虑到这些因素。因为总有一些能量会因摩擦力而损失，所以你的起点山必须比其他山或圈高。如果你有长而平的碎片，大理石可能会因为摩擦而滚动停止。你必须确保你的弹珠有足够的势能穿过整个轨迹。因此，如果你遇到了麻烦，可以回去试着让你的起点山更高。

*请注意还有其他类型的势能，比如弹性势能(当你拉伸橡皮筋时得到的能量)。在这个项目中，我们只讨论重力势能。

（编译自：sciencebuddies网站）

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原标题：《【STEAM课堂】如何设计建造过山车？》

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