Les montagnes russes sont peut-être des machines à sensations fortes qui provoquent des vomissements et des larmes, mais ce sont aussi des exemples fascinants de physique complexe à l'œuvre.

Faire passer une chaîne de voitures à travers un nœud de chutes, de retournements, de tonneaux et de lancements nécessite des équipes d'ingénieurs en mécanique qui analysent des concepts tels que les forces, l'accélération et l'énergie. Pour avoir une idée de la science derrière nos manèges préférés, nous avons parlé à Jeffrey Rhoads, professeur à la Purdue's School of Mechanical Engineering et créateur de la classe de dynamique des montagnes russes de l'université.

Compléter le circuit

Commençons par les bases. Les montagnes russes, comme tout le reste, doivent obéir à la loi de conservation de l'énergie, ce qui signifie que le train ne peut aller qu'aussi vite et aussi loin que le permet la quantité d'énergie (potentielle) stockée.

L'énergie potentielle provient généralement de la montée du train en haut d'une colline avec une chaîne ou un câble. Lorsqu'un train descend une colline, l'énergie potentielle se transforme en énergie mobile (cinétique); plus le train va vite, plus il a d'énergie cinétique.

L'énergie cinétique se transforme à nouveau en énergie potentielle lorsque les voitures gravissent les collines suivantes. Parce que les voitures perdent nécessairement de l'énergie à cause de forces telles que la friction et la traînée de l'air, le point culminant d'un caboteur traditionnel (pensez: Six Flags Magic Mountain's Goliath ou alors Colosse tordu manèges) est presque toujours la première colline. S'il y a une autre chute importante plus haute que la première, les concepteurs ajoutent plus d'ascenseurs (pensez: la grosse chute à la fin de Splash Mountain de Disney).

Certains caboteurs descendent de plus de 90 degrés, s'incurvant vers l'intérieur au sommet de la colline de l'ascenseur, comme sur Valravn à Cedar Point. La physique en jeu est la même, mais Rhoads dit que ces gouttes peuvent offrir une sensation d'apesanteur plus aiguë.

D'autres montagnes russes, comme le Kingda Ka de Six Flags Great Adventure ou le Top Thrill Dragster de Cedar Point, stockent leur énergie dans des lanceurs, des pistons de flipper alimentés par fluide ou par pression d'air, ou dans des électro-aimants intégrés à la piste et aux voitures. Les montagnes russes de lancement ne nécessitent pas de gigantesques remontées mécaniques (ce qui permet d'économiser beaucoup d'espace) et offrent un autre type de sensations fortes anticipées. Les grands parcs veulent une variété d'expériences pour les cyclistes et les montagnes russes de lancement sont un excellent moyen de changer la sensation, explique Rhoads.

Boucles, flips et virages

Les ingénieurs génèrent des sensations fortes grâce à l'accélération, en changeant fondamentalement la vitesse des cyclistes de manière hautement technique et non naturelle. Les ingénieurs de Coaster font appel aux lois du mouvement de Newton pour amener les cyclistes à ressentir les forces combinées de la gravité et de l'accélération, ce qui produit une sensation corporelle excitante et inhabituelle. Les boucles, les tire-bouchons et les virages serrés forcent les cavaliers' corps verticalement et horizontalement de manière calculée.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les boucles sont en forme de larme plutôt que circulaires ? Le défi consiste à concevoir les transitions vers et hors de la boucle », explique Rhoads. « Vous devez vous assurer que vous ne provoquez pas de secousses ou de changements d'accélération pouvant entraîner un coup du lapin. Tout ce qui se déplace dans un mouvement circulaire subit un autre type d'accélération appelée accélération centripète, qui augmente plus la voiture va vite, ou plus le cercle est petit. Une boucle circulaire provoquerait une secousse due à l'ajout soudain de l'accélération centripète. Une forme de larme contrôle cette accélération, facilitant le cycliste à travers la boucle et empêchant les secousses.

Et puis il y a les roulades, qui peuvent désorienter les coureurs de plusieurs manières. Les torsions en ligne sont des rouleaux qui font tourner les trains autour de la piste, mais les rouleaux de ligne de cœur essaient de faire tourner les coureurs autour de leur poitrine. Colosse de Thorpe Park (ci-dessus) est le meilleur exemple de tonneaux de cœur au travail : le trajet de 90 secondes comprend 10 inversions, dont quatre tonneaux de cœur consécutifs. Nous verrons plus de [coasters with] plusieurs rouleaux en série les uns après les autres, a déclaré Rhoads, car cela crée une énorme désorientation.

Bois contre acier

Les sous-verres en bois ne peuvent pas très bien accueillir les boucles, ils sont donc souvent moins désorientants que leurs homologues en acier. Alors pourquoi certains cavaliers les préfèrent-ils ? Les gens... aiment l'anticipation, leur fragilité qui les amplifie un peu. Ils veulent avoir l'impression que la structure bouge sous eux, dit Rhoads. Les sous-verres en acier sont presque exactement le contraire. C'est comme conduire un véhicule ancien plutôt que conduire la toute nouvelle voiture de sport.

Les montagnes russes en bois ont tendance à ne pas avoir de boucles ou de rouleaux, car il faudrait beaucoup trop de bois pour supporter la force d'un lourd train de montagnes russes. Hadès 360 au mont. Olympe dans le Wisconsin prend en charge un rouleau sur des pistes en bois avec un échafaudage en acier.

Sous-verres de nouvelle génération

Il n'y a qu'un certain nombre de façons de jeter les gens dans de petits chariots en les envoyant haut, bas et à l'envers. Certains constructeurs de manèges créent des compartiments qui roulent indépendamment des voitures, encerclant des axes perpendiculaires à la piste, ce qui ajoute plus de flips sans avoir besoin de plus de boucles. Vous pouvez vraiment le voir sur The Joker à la grande aventure de Six Flag (au dessous de).

Les expériences de montagnes russes sont cependant plus que la somme de leurs accélérations. D'autres constructeurs ajoutent des lumières, de la fumée, envoient des montagnes russes sous terre et ajoutent des hachoirs à tête et à pied, des barres proches mais pas trop proches qui fournissent un élément supplémentaire de sensations fortes et/ou de terreur. C'est la trajectoire que nous allons suivre pendant un certain temps, a déclaré Rhoads. Plus grand et plus rapide ne sera pas possible plus longtemps.