ماذا تخبرنا الألعاب في مدن الملاهي عن الفيزياء؟

تم طرح السؤال على موقع Quora بالعربية والإجابة أخذت من بروفايل Leen Rawas

من منا لم يستمتع باللهو في مدينة ملاهي ولو لمرة في حياته؟ الشكر للفيزياء والهندسة اللذان سمحا لنا ببناء مثل آلات الترفيه تلك.

بما أن السؤال ذكر الأفعوانية، سأتحدث عنها في هذه الإجابة. لا يوجد مبدأ فيزيائي واحد تعتمد الأفعوانية عليه في عملها، بل العديد.

• قانون حفظ الطاقة. الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، لكن يمكن تحويلها من شكل إلى آخر. تبدأ عربة الأفعوانية عند ارتفاع معين عن سطح الأرض، تمتلك العربة ما يسمى طاقة وضع جذبية PE، لماذا؟ عند رفع جسم من على سطح الأرض لارتفاع ما وجب التغلب على قوة الجاذبية وتم بذل شغل ومنح الجسم طاقة، يقوم الجسم بتخزين هذا الشغل المبذول كطاقة وضع (طاقة بسبب تموضعه). عند أقصى ارتفاع تكون العربة ساكنة ثم يتم تركها لتسقط وأثناء سقوطها تتحول طاقة الوضع تدريجيا لطاقة حركة KE حتى تصل لأقصى سرعة ممكنة لها عند أقل ارتفاع، ثم تتحول لطاقة وضع مرة أخرى وتقل سرعتها كلما ارتفعت من جديد. في الأفعوانيات القديمة، أعلى ارتفاع في مسار العربة هو الارتفاع الأولي، لأنه مع استمرار سير العربة يتم فقد جزء من الطاقة كطاقة حرارية بسبب الاحتكاك مع السكة فلا تستطيع الحصول على الطاقة ذاتها للوصول للارتفاع الأولي. في الأفعوانيات المعاصرة لا تعد هذه مشكلة فيتم استخدام مصادر طاقة خارجية كالطاقة الكهربائية.

• القصور الذاتي وقانون نيوتن الأول. الذي ينص على أن الجسم في حركة بخط مستقيم (أو سكون) يميل للاستمرار في تلك حركة مالم توجد قوة خارجية تؤثر فيه. في حالة الأفعوانية، يتم تغيير الاتجاهات باستمرار كما يتم تغيير الارتفاع باستمرار. القصور الذاتي هو ما يمنح الشعور بالمتعة (أو الغثيان للبعض) فمثلا عندما تغير العربة اتجاهها سيميل جسم الإنسان ليكمل مساره في الاتجاه السابق (تماما كما يحدث عندما يندفع الإنسان للأمام في حالة توقف السيارة المفاجئ).
• قوة G. في الحقيقة إنها ليست قوة فعلية بل قوة ظاهرية موجودة بسبب التسارع. مثلا عندما تتحرك العربة في حركة تسارع إلى الأعلى ستشعر أن وزنك أكبر بسبب ذلك التسارع الإضافي الذي له تأثير يشبه تأثير الجاذبية (تماما نفس شعورك عندما يبدأ المصعد بالارتفاع) مما يسبب بميلان الجسم نحو الأسفل. نفس المبدأ عندما تتسارع العربة نحو الأسفل، تأثير التسارع هنا سيكون معاكس لتأثير الجاذبية فستشعر بأنك أخف وسيندفع جسمك نحو الوراء.

• قوتا الجذب والطرد المركزي. مرة أخرى هذه القوى ليست قوى فعلية إنما ناتجة عن الحركة الدائرية على منحنى (تسارع أيضا). عندما تتحرك العربة في منحنى تساهم قوة الجذب المركزي في الحفظ على المسار عبر جذبها نحو مركز الانحناء، بالمقابل يشعر الركاب داخل العربة بالاندفاع نحو الخارج بفعل الطرد المركزي وأيضا ما يسمى قوة G الجانبية. للتقليل من شدة هذا الدفع، يتم جعل مسار السكة منحني قليلا نحو المركز (فكر بها على أن انحناء السكة يجعل للجاذبية دور بمقاومة قوة الطرد).

• التسارع المركزي في الحلقات الرأسية. عندما تسير العربة في حلقة رأسية تؤثر عليها قوة الجذب المركزي وقوة الجاذبية، عند أعلى نقطة يجب أن يكون التسارع المركزي كبير كفاية للتغلب على قوة الجاذبية ومنع العربة من السقوط يقاس التسارع المركزي بمربع السرعة على نصف القطر، لزيادته: نزيد السرعة أو نقلل نصف القطر. تقليل نصف القطر يمكن أن يتم عبر جعل المسار بيضاويا بدل من دائري (نصف القطر في الأعلى أقل منه في الجوانب).

نستفيد من قوانين الفيزياء لتصميم أفعوانيات آمنة، بنفس الطريقة التي يمكننا تصميم أفعوانيات مميتة بها. نعم لعلك لم تسمع بذلك التصميم القابل للتطبيق نظريا (لم يتم بناؤه طبعا -إلى الآن-) أفعوانية القتل الرحيم (تصميمها يبدو ممتع للأمانة) المصممة لجعل نفس الإنسان ينقطع، ويفقد الوعي بفعل عدم وصول الدم للدماغ مما يسبب نقص أوكسجين فيه، يلي ذلك توقف القلب والوفاة.

تابعوا موقع Quora بالعربية على صفحات التواصل الاجتماعي: صفحة Quora بالعربية على فيس بوك وصفحة Quora بالعربية على تويتر.