Η επιστήμη πίσω από τον τοίχο του θανάτου

Συζητώντας την επιστήμη πίσω από το κόλπο με μοτοσικλέτα που αψηφά τον θάνατο. Τοίχος θανάτου. Πώς καταφέρνει ο αναβάτης να παραμείνει στην κορυφή ενώ χαράζει μια κυκλική διαδρομή σε έναν κατακόρυφο τοίχο;

Εάν έχετε πάει ποτέ σε ένα καρναβάλι με πολλά ακροβατικά που αψηφούν τον θάνατο με οχήματα, όπως ένας αναβάτης μοτοσικλέτας που πηδά πάνω από μια σειρά από φορτηγά σταθμευμένα το ένα δίπλα στο άλλο ή ένας άλλος τολμηρός που πηδά μέσα από έναν κύκλο φωτιάς, τότε μάλλον γνωρίζετε (ή τουλάχιστον έχετε ακούσει για) Το Τείχος του Θανάτου . Για να κατανοήσουμε πλήρως αυτό το εκπληκτικό θέαμα, ας ρίξουμε μια ματιά στην επιστήμη πίσω από αυτό το άγριο κόλπο που εκτελείται συχνά από μοτοσικλετιστές.

Τι είναι το Τείχος του Θανάτου;

Το Τείχος του Θανάτου είναι ένα καρναβαλικό σόου με έναν ξύλινο κύλινδρο με διάμετρο 20 – 36 πόδια. Μέσα στον κύλινδρο, ένας μοτοσικλετιστής (ή ένας οδηγός με οποιοδήποτε άλλο αυτοκίνητο, όπως ένα αυτοκίνητο) οδηγεί κατά μήκος του κάθετου τοιχώματος του κυλίνδρου και εκτελεί διάφορα ακροβατικά ενώ το κάνει. Το Τείχος του Θανάτου είναι επίσης γνωστό με πολλά άλλα ονόματα, όπως μηχανοδρόμιο, σιλόδρομο ή πηγάδι του θανάτου.

Συντελεστές:AJP/Shutterstock

Η πιο προφανής έλξη αυτού του κόλπου είναι το γεγονός ότι ο αναβάτης κινείται με ταχύτητα σε κάθετη διαδρομή χωρίς να πέσει. Οι άνθρωποι που έχουν φοβία με τα δίτροχα οχήματα ξέρουν ακριβώς πόσο δύσκολο είναι να κάνεις ποδήλατο σε επίπεδο δρόμο, πόσο μάλλον σε κάθετο στο έδαφος. Με άλλα λόγια, αυτό το κόλπο προσφέρει μια συναρπαστική εμφάνιση.

Επιστήμη πίσω από το τείχος του θανάτου

Τώρα, βάλτε τα καπάκια της φυσικής σας για να μπορέσουμε να εμβαθύνουμε σε αυτό το κυλινδρικό μυστήριο.

Όταν ένα ποδήλατο κινείται στους τοίχους, υπάρχουν πολλές δυνάμεις στο παιχνίδι. Αυτές περιλαμβάνουν τη βαρυτική δύναμη, η οποία δρα προς τα κάτω από το ποδήλατο στους τοίχους, τη δύναμη τριβής που ασκούν τα τοιχώματα στα ελαστικά του ποδηλάτου και την κανονική δύναμη αντίδρασης, μια κάθετη ώθηση προς τα πίσω από την επιφάνεια του τοίχου όταν δέχεται δύναμη. Υπάρχει επίσης κεντρομόλος δύναμη, η οποία κατευθύνεται προς το κέντρο της κυκλικής διαδρομής που χαράζει το ποδήλατο.

Πηγή εικόνας:http://physics.mut.ac.th

Για ένα ποδήλατο που κινείται σε οριζόντιο κύκλο σε κάθετο τοίχο, η κανονική αντίδραση (Ν) είναι ο παράγοντας που παρέχει αρκετή δύναμη για να διατηρήσει την κίνηση σε έναν κύκλο. Επίσης, το γεγονός ότι το ποδήλατο δεν γλιστράει κάτω από τον τοίχο σημαίνει ότι οι δυνάμεις της τριβής και της βαρύτητας ισορροπούν μεταξύ τους (όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα).

Εν ολίγοις, οι δύο δυνάμεις, η βαρυτική δύναμη και η δύναμη της τριβής, δρουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και αντισταθμίζουν η μία την άλλη, ενώ η κανονική αντίδραση από τον τοίχο είναι αυτή που κρατά το ποδήλατο σε κίνηση.

Ωστόσο, δεν είναι τόσο απλό. Η δύναμη τριβής που ασκείται στα ελαστικά του ποδηλάτου εξαρτάται από την ταχύτητα του ποδηλάτου καθώς κινείται κατά μήκος του κύκλου. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει μια ελάχιστη ταχύτητα του ποδηλάτου που παράγει τη μέγιστη δύναμη τριβής, εξισορροπώντας αποτελεσματικά τη βαρυτική δύναμη. Αυτό είναι κρίσιμο, γιατί αν η βαρυτική δύναμη είναι μεγαλύτερη, τότε το ποδήλατο θα γλιστρήσει προς τα κάτω και ο αναβάτης θα πέσει. Η τριβή γίνεται ισχυρότερη όσο αυξάνεται η ταχύτητα, αλλά με την αύξηση της ταχύτητας, γίνεται όλο και πιο δύσκολο για τον αναβάτη να κατευθύνει το όχημα με ασφάλεια.

Χάθηκε ένα σημείο

Πηγή εικόνας:http://physics.mut.ac.th

Το παραπάνω σύστημα δυνάμεων ισχύει και παραμένει σε ισορροπία αν μιλάμε για σημειακή μάζα, ή μάλλον για ένα αντικείμενο του οποίου ολόκληρη η μάζα είναι συγκεντρωμένη σε ένα μόνο σημείο. Σε μια τέτοια περίπτωση, όλες οι δυνάμεις ενεργούν σε αυτό το μόνο σημείο. Αυτό, όμως, δεν συμβαίνει με ένα μηχανάκι. Η δύναμη τριβής δρα στα ελαστικά, αλλά η βαρυτική δύναμη δρα μέσω του κέντρου μάζας του συστήματος που αποτελείται τόσο από το ποδήλατο όσο και από τον αναβάτη. Δεδομένου ότι οι τρεις δυνάμεις είναι ισορροπημένες, αλλά δεν βρίσκονται στην ίδια γραμμή, το ποδήλατο θα έχει την τάση να περιστρέφεται, δημιουργώντας ένα φαινόμενο στροφής που τελικά θα οδηγήσει σε πτώση του. Αυτή η ανωμαλία πρέπει να αντισταθμιστεί για να διατηρηθούν ασφαλείς αυτοί οι γενναίοι αναβάτες!

Το μυστικό είναι να κλίνεις

Πηγή εικόνας:http://physics.mut.ac.th

Για να αντιμετωπιστεί αυτό το επικίνδυνο φαινόμενο στροφής, ο αναβάτης πρέπει να γέρνει υπό γωνία μακριά από την κατακόρυφο. Αυτό θα κάνει την κανονική αντίδραση από τον τοίχο να παράγει μια τάση να περιστρέφεται (μια ροπή) προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν ο αναβάτης λυγίσει στη σωστή γωνία, οι ροπές θα εξισορροπηθούν τέλεια. Επομένως, δεν θα υπάρχει περιστροφικό ή περιστροφικό αποτέλεσμα στο ποδήλατο και η εντυπωσιακή οθόνη μπορεί να συνεχιστεί.

Ωστόσο, εάν ο αναβάτης γέρνει σε γωνία διαφορετική από τη σωστή, τότε οι μη ισορροπημένες ροπές θα κάνουν το ποδήλατο να περιστραφεί και να πέσει. Επομένως, ο αναβάτης θα πρέπει να πιέσει περισσότερο προς την αντίθετη κατεύθυνση για να παράσχει επιπλέον ροπή και να διατηρήσει την ισορροπία του.

Αφού τα ακούσετε όλα αυτά, μπορεί να έχετε μια πολύ διαφορετική εμπειρία την επόμενη φορά που θα είστε σε ένα καρναβάλι ή μια έκθεση μοτοσικλέτας. Αυτό που μοιάζει με ένα αδύνατο κόλπο που αψηφά τον θάνατο είναι στην πραγματικότητα ένα περίπλοκο σύνολο δυνάμεων και ροπών που συνεργάζονται αρμονικά. Φυσικά, η ικανότητα και τα κότσια του αναβάτη που πετά γύρω από αυτήν την κυλινδρική διαδρομή παίζει επίσης μεγάλο ρόλο!