ジェットコースター

今とっても困っていて冬休みの理科の宿題でジェットコースターの設計レポートって言うのがあるんです。でもよくわからなくて。
もしよければ詳しいことがわかる人はおしえてください。簡単なことでもいいので。中３程度の答えで。
でもじょうけんがあるんですよ。台車（人の乗る部分）には動力をつけない、スピードをどうコントロールするか？台車をスタート位置までひきあげるためには？
効率のよい運営とは？授業で習った「速さ」「運動」「エネルギー」ノ点から。
と言うことなんですけど少しでもいいんでわかる人はおしえてください。
ほんとわがままなことですみません

No.1 回答者： chukanshi 回答日時： 2002/01/06 01:41

まず、摩擦を無視して、エネルギーは保存しているとしましょう。

スタート位置は、一番端っこの一番高い位置にしましょう。一度そこに持っていけば、エネルギーの保存で必ずそこへ帰ってくるので、引き上げるエネルギーが要りません。エネルギー効率がよいです。
そして、高いところからスタートすれば、低いところへいってスピードが出て速さが早くなり迫力があります。また、回転も速度が速いほうが迫力があり、しかも逆さまに落ちる危険は少なくなります。

一方スタート地点を一番低いところにしておくと、そのたびに、台車を高いところまで引き上げねばならず、そのエネルギーが大変です。

ただし、スタート地点を高いところにすると、乗客をエレベータでそこまで持ち上げなければなりませんが、人間のほうが、台車より軽いですよね。持ち上げるエネルギーは少なくてすみます。

No.2 ベストアンサー 回答者： zuri1000 回答日時： 2002/01/06 02:06

＞スピードをどうコントロールするか？

ジェットコースターのスピードは空気抵抗や車輪などの各種抵抗を無視すると
（運動エネルギー）＝（位置エネルギー）で制御されています。
　↑この式は問題集の問題を何個か解けば慣れます。

つまりレールの高さで制御します。また、コースの曲がり角では、乗っている人に負担のかからない曲率で曲げられ、遠心力と重力の合力が乗っている人からみて鉛直下向き（つまり仮にシートベルトが外れてしまっても吹っ飛ばないようにしてある）にかかるようにしています（そうしないとジェットコースターが曲がったときに乗車している人がシートベルトに締め付けられます）。

＞台車をスタート位置までひきあげるためには？
　空気抵抗が無ければ初めと終わりの高さが同じならどこからスタートしても元の高さへ返れます。しかし、スピード感を味わうためと実際は抵抗があるのでジェットコースターを一度高いところへ持ち上げます（これは実物で経験済みでしょう）。この持ち上げる動力は、ジェットコースターの動力ではなく、外部動力です。エスカレーターみたいなものだと考えてください。

　持ち上げる高さは抵抗があるため、理論値より若干高めに設定してあります。
つまり、気象条件（突風など）によって減速しても元の位置に戻れるように設定してあります。元の位置に帰ってきたときにまだスピードが生きている場合は、外部からブレーキをかけて強制的に止めます（これも実物で経験しているでしょう）。
このブレーキももちろん外部動力なので、ジェットコースターについている動力ではありません。

＞効率の良い運営？
あらかじめ初めから高い位置からスタートして、その位置に戻ってくるという単純な回答を求めているとはうすうす感じますが・・・
もしくは抵抗の少ない真空中につくるか？
ジェットコースターをリニアにして浮かす？

需要のある場所に遊園地を立てるのが一番や！外部動力で電気代が多少かかってもこれに勝るものは無いんじゃない。

No.3 回答者： snow023 回答日時： 2002/01/06 08:50

質問の観点からは少し異なるのですが１冊の本を紹介します。

遊園地のメカニズム図鑑―ジェットコースターが落ちない理由(わけ)
八木 一正 (著)
面白い本なので読んでみてはいかがでしょうか？
いろいろな、数式なども載っているので役たつでしょう。
既に、書店にはほとんどないので図書館などに行って、
探すといいと思います。

No.4 回答者： nozomi500 回答日時： 2002/01/06 09:34

「スタート位置」というのは、お客が乗る場所でしょ。

そこは「下」にあって、スタートしてからチェーンのでかいやつで上に送るんだ、という突っ込みはしておきましょう。（それで「いい突込みだ」と点をくれるかどうかは担任次第。関西人ならくれると思いますが・・。）

理科の宿題ですから、「効率の良い運営」は、金儲けにとっての効率ではないのしょうね。エネルギー効率がいいからといって、ジェットコースターとして魅力がなければどうしようもないぞ。（らせんを描いて終点まで同じ角度で降りていけば、エネルギー効率は一番いいとおもうけど、そんなコースター誰が乗る・・、という突っ込みも。）

中３程度ですから、ポイントは、カーブで外に飛び出さない（いわゆる「遠心力」とコースの傾き）こと、「山」のてっぺんで放物線を描いて空中に飛び出さないこと、ループの途中で落っこちないこと、でしょうか。
ただ、「遠心力、放物線」については、本当なら外に飛び出すようなスピードと角度のものを無理やり固定しているから絶叫マシーンの意味があるのですが。（スタンディングコースターは恐いですね。吊り下げのやつは見た目ほど恐くない、ほとんど「下」むきだから。）

中学で微積分はないから、ループで落ちないための速度の計算はないのでしょうね。落下開始より高いところまで上がれないのは当然として、高さ半分ぐらい？
放物線は中学生でできますか？