La física de ir rápido, pero no demasiado rápido, en un tobogán gigante

Realmente, la única diferencia es que esta es una trayectoria que se curva hacia abajo con el centro de esta curva circular debajo del tobogán en lugar de arriba. (Una vez más, la forma de C gris representa la trayectoria del ciclista en el tobogán y la trayectoria circular de su cuerpo, y el punto es el centro del círculo). Eso significa que la aceleración centrípeta también está en dirección hacia abajo y hacia el centro del círculo.

Dado que la aceleración cambió de dirección, la fuerza normal (N) tiene que ser menos que la componente radial de la fuerza gravitatoria, que tira de la persona hacia abajo, hacia la Tierra. ¿Qué sucede cuando la fuerza normal se hace más pequeña?

Recuerda que para que un ciclista se mueva en una trayectoria circular, es necesario que haya una fuerza neta que apunte hacia el centro del círculo, que es hacia abajo para un deslizamiento curvo hacia abajo. Dado que la fuerza de fricción siempre es tangente a la trayectoria del deslizamiento, esta fuerza radial neta, que llamamos fuerza centrípeta, se compone de la fuerza normal (empujar) y un componente de la fuerza gravitacional (tirar hacia el centro).

Si la velocidad del ciclista es lo suficientemente lenta, no necesita una fuerza centrípeta muy grande para moverlo en un círculo. La componente de la fuerza gravitacional por sí sola podría ser suficiente para lograrlo. La fuerza normal del deslizamiento podría ser solo un pequeño valor empujando hacia afuera.

Si la velocidad del ciclista aumenta demasiado, entonces la fuerza gravitacional por sí sola no sería suficiente para producir un movimiento circular. Necesitarías la fuerza normal para además tire hacia el centro del círculo. Pero los toboganes no hacen eso: solo empujan. Eso significa que el ser humano que se desliza en realidad no se movería en un círculo, sino a lo largo de una trayectoria parabólica a medida que abandona la superficie del tobogán y se eleva por el aire, al menos por un corto tiempo, hasta que vuelve a estrellarse contra el tobogán. Eso es lo que les pasó a los deslizadores de Detroit.

Modelemos el movimiento de una persona en un tobogán curvado hacia abajo. Voy a empezar con un ciclista en lo alto de una curva. Puedes ver que en algún momento la persona sale volando de la pista y se convierte en un proyectil en caída libre:

Vídeo: Rhett Allain

La velocidad de la persona cuando comienza su recorrido es importante. Si una persona comienza la curva descendente con una velocidad lo suficientemente alta, saldrá volando de la pista, pero el valor exacto de la velocidad que hará que la persona se salga de la pista depende del ángulo inicial y final de la curva del tobogán.

Si desea mantener a sus ciclistas en el tobogán, debe aumentar el coeficiente de fricción entre ellos y el tobogán. Al final, el Departamento de Recursos Naturales de Michigan, que administra Belle Isle Park, publicó un video en Facebook explicando las actualizaciones que hicieron: “Fregamos la superficie y comenzamos a rociar un poco de agua en el tobogán entre juegos para ayudar a controlar la velocidad”, escribieron. También instan a los ciclistas a inclinarse hacia adelante, lo que un empleado del parque demuestra en el video.

¿Por qué agua? El agua es en realidad un poco pegajosa, por lo que solo agregar un poco podría aumentar la fricción debido a su naturaleza cohesiva. (Por supuesto, agregar lo suficiente para crear un tobogán de agua completo podría reducir la fricción y hacer que el ciclista sea aún más rápido, pero eso tomaría un tiempo). lote mas agua.)

Inclinarse hacia adelante podría ayudar a asegurar que el peso de cada ciclista esté sobre el saco de tela en sus piernas. Los sacos están hechos de arpillera, que es áspera y proporciona algo de fricción, y debido a que todos los jinetes tienen que usar estos sacos, eso hace que la superficie sea más consistente y conocida que cualquier ropa que los jinetes estén usando. Pedirle que se incline hacia adelante asegura que la arpillera esté en contacto con el tobogán, no con el material que conforma la camisa de la persona, que es lo que sucedería si se inclinara hacia atrás.

Si los operadores del parque quieren ser aún más creativos, otra opción sería hacer que los pasajeros se deslicen mientras usan algo que no sean esos sacos de arpillera, tal vez algo con un poco de goma para aumentar la interacción de la fricción. También es posible que una capa de pintura aumente el coeficiente de fricción.

¡Feliz deslizamiento!