Il lato divertente della Fisica: le Montagne Russe

A cura di Roberto Nardella.

Avete presente quando il Prof. di fisica, parlando dell’energia meccanica, diceva che questa si conservava? Ecco, questo semplice ragionamento, o per meglio dire legge fisica, è alla base del funzionamento delle montagne russe. Una vettura priva di motore si muove lungo dei binari che formano un apposito tracciato che,  a seconda della sua complessità, renderà sempre più adrenalinica la corsa formando particolari figure, come il famigerato giro della morte.

Ma entriamo più nello specifico: la vettura, per mezzo di vari sistemi di trasporti (meccanico, elettromagnetico, idraulico) acquista una certa energia potenziale in virtù della quota che la stessa ha raggiunto. Questa energia, una volta terminata la salita (lift) si trasformerà in energia cinetica che permetterà alla vettura di percorrere l’intero tracciato con un susseguirsi di scambi tra le due energie per poi ritornare con la giusta velocità nella stazione di carico e scarico passeggeri. Di conseguenza vette iniziali più alte corrispondono a velocità di punta più alte e percorsi più lunghi. Quest’associazione però sta perdendo di significato con il sempre più ampio uso di motori ad induzione lineare o motori idraulici, per i quali non sono necessarie salite per fa acquisire energia cinetica alla vettura.  Per via della perdita di energia dovuta all’attrito con i binari delle ruote che agganciano la vettura ai binari stessi e per via delle resistenze dell’aria all’avanzare della vettura, le salite lungo il percorso sono sempre meno alte.

Ma cosa ci spinge a salire su un Roller Coaster? Anche in questo caso ci corre in soccorso la Fisica ed occorre fare subito una precisazione. Infatti, si è comunemente portati a pensare che la sensazione di adrenalina che ci fa godere le montagne russe sia dovuta alla velocità raggiunta. Questo solo in parte è vero poiché le velocità massime raggiunte si aggirano attorno ai 90 Km/h, velocità ampiamente superabili da una comune automobile. La vera causa è da cercare nelle forti accelerazioni che subiamo durante il percorso, ossia nelle continue variazioni di velocità in tutte le direzioni. Quelle che si vengono a creare sono le cosiddette ‘’Forze G’’.

In particolare, nell’affrontare una curva, il veicolo tramite il vincolo delle rotaie subisce una forza verso l’interno della curva, la forza centripeta. Di conseguenza il passeggero per reazione risentirà di una forza uguale e contraria, diretta quindi verso l’esterno, la forza centrifuga. Queste saranno tanto più elevante al crescere della velocità di percorrenza della curva e al diminuire del raggio di curvatura (quanto è stretta la curva).

Stesso discorso nel caso di variazioni di quota, quando cioè affrontiamo salite e discese. Infatti, mentre stiamo percorrendo la parte più alta della collina, risentiremo di una forza G verso l’alto, questo poiché il binario spinge verso il basso la vettura e la nostra reazione sarà uguale e contraria (3° Principio della Dinamica). In questo caso si parla di forza G negativa, essendo opposta al verso della forza di gravità. E proprio questa è la sensazione di leggerezza (in gergo ‘’air time’’, letteralmente tempo in aria), di vuoto nello stomaco che tanto ci fa amare queste attrazioni. Situazione inversa quando si affronta la parte più bassa di una discesa.

Ma Perché si chiama forza G? G corrisponde al valore dell’accelerazione di gravità (9,807 m/s²) che moltiplicata per la nostra massa risulta uguale al nostro peso. Di conseguenza si utilizza il G come metro di paragone per capire di quanto il nostro peso si è amplificato (in positivo o negativo). Valori massimi sono intorno ai 5G. Oltre questo valore incorreremmo sia in problemi di progettazione della struttura sia in problemi di salute sui passeggeri.

Di seguito riportiamo alcuni record mondiali e italiani:

. Montagne russe più veloci al mondo: Formula rossa, 240 km/h, Emirati Arabi

.Montagne russe più alte al mondo: Kingda Ka, 139 metri, New Jersey

.Montagne russe più lunghe al mondo : Steel Dragon 2000, 2479 metri, Giappone.

.Montagne russe più veloci in Italia: Ispeed,120 km/h, Mirabilandia.

.Montagne russe più alte in Italia: Divertical, 60 metri, Mirabilandia.

.Montagne russe più lunghe in Italia: Katun, 1200 metri, Mirabilandia.

Ed ora un giro, seppur virtuale, su questi gioielli dell’ingegneria (Katun Roller Coaster POV – Front Seat View – Mirabilandia, Italy)