专题丨揭秘过山车从设计到建造过程！

到20世纪初，美国共有1500辆木制过山车。截至目前，Kingda Ka是地球上最高的过山车，成为了独创性和构造性的奇迹。本质上，过山车是一种利用重力和惯性使车厢通过轨道的机器。然而，Mauch-Chunk Switchback Railway建成以来，建筑技术已经取得了长足的进步。更复杂的设计，更快的速度和更高的结构都得以实现。

尽管过山车的建造方式看起来有点复杂，但它们的构造并不复杂。下面我们通过图示结合说明的形式，直观地呈现过山车由设计到建造的过程。

01

设计流程

THE DESIGN PROCESS

和建筑项目一样，在过山车建成之前，每个方面都是先设计好的。这是为了确保在最后的运行中实现最大的安全性和刺激性。

1.Choosing Coaster Type

△示意图丨选择过山车类型

设计过山车之前，第一步是选择过山车类型，就是我们常说的产品定位。找出组成过山车类型的不同方面至关重要，因为它会极大地影响过山车的整体设计。选择过山车类型时，需要考虑四个方面，分别是：

1. 乘客群体——过山车的预期乘客群体不同，相对应的过山车产品类型也不同。如果他们是孩子，那么骑行将有平缓的山坡。然而青少年乘客在骑行时会寻求高速度和较高的高度。

2. 材料——木材和钢材是过山车建造的两种主要材料。然而，由于钢的多功能性并且能提供更平稳的乘坐和倒置等体验的能力，钢材应用更加广泛。

3. 列车、座舱类型——运送乘客通过骑乘设施的车辆。有多种不同类型的过山车，从经典的侧摩擦过山车（如Leap the Dip）到现代的悬挂过山车（如蝙蝠侠之旅），轨道位于乘客头顶上方。

4. 轨道布局——过山车的轨道布局影响整个乘坐过程。例如，一个8字形轨道在整个过程中至少包含一个8字形，螺旋形轨道包含连续的螺旋形环，看起来像龙卷风。

设计师可以按任意顺序或同时考虑这四个方面。在这个阶段，要做的就是弄清楚想要建造什么样的过山车。

2.Adding the Hills and Loops

△示意图丨Hill and Loop

过山车的刺激部分在于巨大的坡度、大回环和急转弯。不过，这些过山车元素并不仅仅是为了刺激而设计的。它们影响并改变过山车在整个行驶过程中的速度和高度。

过山车的第一个坡（称为提升坡）通常是最大的。当车辆爬升时，动能转化为重力势能积累起来，为车辆提供足够的能量使其能够在整个轨道中行驶。如果没有足够大的提升坡，过山车将无法完成运行。

然后，大回环有助于控制列车在整个行驶过程中的速度和冲力。Werner Stengel于1975年设计了如今用于过山车的360度全垂直环，称为回旋环-Clothoid Loop，顶部有一个较小的曲率半径，这会导致速度减慢，并让乘客在倒置时留在座位上。想象一下在你头上快速转动一桶水，而水不会溅到你自己身上的情景。即使是在倒置的情况下，惯性的作用是水不会往下流，同样的情况也发生在人们乘坐过山车经过大回环的时候。

然而，这并不是大回环的唯一目的：它们可以防止人们昏倒。过大的重力会使人昏倒。通过使用垂直环降低行驶速度，减小重力。过山车越大越快，这种影响就越明显。

有时，游乐园游乐设施很多，以至于设计师不得不让过山车穿过到其他景点。这可能会影响过山车的总体设计，如果设计中没有计算这些山坡或回环，则可能会增加或减少过山车上的坡度或回环。

3.The Lifts and Brakes

△示意图丨Lifts and Brakes

过山车相当于是一种运输车辆，车厢在轨道上相互连接。然而，由于通常没有发动机，只是依靠重力和动能使车厢移动。下面我们来看看不同类型的升降机，它们可以帮助车辆爬升，而刹车系统的设计也可以帮助车厢停下来。

1. 链式提升——这是过山车上坡最传统的方式，类似于自行车链条或长传送带，在上坡时会发出咔哒声。

2. 弹射器提升——这是另一种将车辆送上坡顶的方式，它们通常用于有空间或高度限制的过山车，使用能量和压缩空气推动车辆前进。共有六种类型的发射系统：

1） 电磁系统——使用储存大量电能的强电磁体发射。有两种类型的电磁系统：线性感应电机（LIM），它较旧且不太复杂；线性同步电机（LSM），它较新且效率更高，但也稍微复杂一些。

2） 液压发射系统——使用几个装满液压油和氮气的泵、几个发射电缆和一个发动机（本质上是一个大轮子）来推动车辆前进。

3） 气动系统——与液压系统类似，但使用空气而不是液体。它们通常比液压系统简单，但动力不如液压系统。

4） 飞轮系统——使用一个大飞轮连接到一根快速旋转的电缆上，以启动车辆。

5） 弹射器系统——通过放下重物，缠绕缆绳，然后将列车拉至最高速度来启动。这些过山车高度不是很高，而且时速只能达到60英里/小时（96.6km/h)。

6） 摩擦轮——使用摩托轮保持车辆速度，或利用车轮与车辆之间的摩擦力使列车移动得更快。

3. 制动系统——过山车使用制动系统减速或停止。制动系统主要有两类：

1） 调整制动器——调整制动器是将车辆修整到一定的速度，并不是完全停止车辆，这些制动器可以在轨道的任何地方使用。

2） 块式制动器——块式制动器允许一列以上的列车在电路上运行，并在行驶停止时完全停止列车。

设计师选择建造的过山车类型将影响用于过山车提升和制动系统的类型。

4.Testing the Design

△示意图丨Testing the Design

选择了设计阶段的所有内容，剩下的就是对其进行测试。可以使用过山车专用的计算机软件进行模拟，这是大多数测试的方式。但是，如果设计了新功能，则需要构建一个工作原型，以评估新设计的可行性。

如果原型不起作用，可能是因为新功能的设计仍然继续深化设计，也可能是因为它是不安全的。如果原型失败，那么设计师必须重新评估设计。如果原型工作成功，那么制造阶段就可以开始了。

02

制造过程

THE MANUFACTURING PROCESS

过山车设计完成后，现场将进行平整。建造过山车的方法是首先创建支撑结构（由支撑梁和框架组成），然后创建轨道（由轨道和安全移动过山车的其他部分组成）。

1.Support Structure

△示意图丨Installing the Support Structure

支撑系统是支撑过山车上所有构件的结构。一切都是从底部安装，从基础开始。用挖掘机挖洞，并用混凝土浇筑地基，并用木质模板来固定成型。

如果土壤是沙质的，那么就要将一堆木头打入地基，以代替混凝土。连接板连接基础和支撑梁。

根据设计师决定使用的材料类型，安装可能略有不同。对于木制过山车，木材被运至现场，在现场进行切割和安装。

对于钢制过山车，零件在工厂按照规范制造，然后运送到现场进行组装。

使用起重机将支撑结构的下部主要部分降低到连接至支撑结构的连接板上。在安装上部时，可使用木梁支撑下部。

框架的设计是根据乘客类型、重力和列车使用的能量进行计算的。通常，支撑结构框架由连接到支撑柱的横梁组成，这与摩天大楼的上部结构建造方式不同。

2.Installing the Track

△示意图丨Installing the Track

一旦主支撑结构就位，轨道将安装在顶部，安装方式取决于所使用的材料类型。

在木制过山车上，连接梁连接和加固两根立柱的梁，并贯穿整个过山车的长度。

钢制过山车的轨道部分单独装运到现场，并准备好。将这些部件连接起来，然后用螺栓/焊接在支撑结构上。

过山车的部分安全性在于轨道防止火车车轮脱轨。通常，木制过山车的轮子上有宽的边缘，防止它们滑出轨道，防止侧向移动。

安装轨道后，将安装链式升降机或发射升降机以及其它安全机构和制动系统。安全机构，如防回滚系统或传感器，用于确保过山车安全运行。

完成以上工作，实际的车厢将被运到现场。并执行测试运行，以确保一切正常工作。根据过山车的主题，添加一些个性化设置，如照明、相机设置和上色。然后过山车就准备好了。

需要注意的是，如果轨道安装不正确，可能会造成严重伤害和损坏。这就是为什么从支撑结构到轨道安装的一切都必须精确完成的原因。其实乘坐过山车受伤的情况非常罕见，每百万人中只有1.2人受伤。

了解过山车是如何建造是一个非常有意思的事情，因为它准确地展示了最新的建造技术是如何被应用的。过山车越来越高、越来越快、越来越长、越来越安全的趋势将继续下去，寻找新的方式为乘客提供全新的刺激！

END

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