Как создаются самые захватывающие аттракционы планеты и почему пассажиры испытывают состояние невесомости? В рамках проекта Tech Support на YouTube-канале WIRED американский инженер Кори Кипер (Corey Keeper) ответил на вопросы пользователей Twitter об устройстве американских горок. Эксперт подробно разобрал физику перегрузок, историю проектирования и современные технологии, обеспечивающие безопасность экстремальных поездок.
🏎️ Мировые рекорды и истоки индустрии 0:13
На сегодняшний день звание самых высоких американских горок в США и самых быстрых в мире удерживает аттракцион Kingda Ka, расположенный в парке Six Flags Great Adventure в Нью-Джерси. Высота этой колоссальной конструкции составляет 456 футов (около 139 метров), а поезд на ней развивает умопомрачительную скорость до 128 миль в час (порядка 206 км/ч). Для регулярного осмотра и инспекции элементов такого масштабного сооружения инженеры и технические службы активно задействуют современные беспилотные летательные аппараты.
История появления подобных аттракционов уходит корнями в традиционные русские ледяные горки, где люди спускались по склону на ледяных блоках. Со временем эта концепция эволюционировала: для развлечения стали адаптировать вагонетки из угольных шахт в периоды, когда добыча не велась. По словам инженера, отголоски этого процесса можно увидеть в знаменитой сцене из фильма «Индиана Джонс и храм судьбы», которая имеет под собой реальную историческую основу. Первые коммерческие горки современного типа — Switchback Railway — открыл Ламаркус Томпсон (LaMarcus Thompson) на Кони-Айленде в 1884 году. Именно Томпсона сегодня многие считают «отцом американских горок».
🎢 Физика страха: управление гравитацией и перегрузками 1:21
Находясь дома в кресле, человек испытывает стандартную перегрузку в 1G, что соответствует его обычному весу. Однако при резком ускорении и движении по нижней точке траектории (в «долине» трека) перегрузки могут внезапно возрастать до 3G или 4G, заставляя пассажира чувствовать себя в несколько раз тяжелее. На вершинах холмов на поезд начинает действовать центростремительная сила, которая рассчитывается по формуле $v^2 / R$, где $v$ — скорость, а $R$ — радиус кривизны. В этот момент стандартное ускорение свободного падения, направленное вниз, компенсируется противоположной силой, в результате чего они взаимно уничтожают друг друга, создавая ощущение полной невесомости (0G).
Подобный эффект каждый человек испытывал в детстве на обычных качелях: в самой верхней точке, прямо перед началом падения назад, возникает то самое мимолетное чувство легкости. Как объясняет Кори Кипер, ключевая задача проектировщика аттракциона заключается именно в манипулировании перегрузками. Инженеры стремятся чередовать зоны с нулевой гравитацией, где человек парит словно космонавт в космосе, с участками сильного давления, достигающего 3G, 4G, а на некоторых экстремальных объектах — почти 6G.
💺 Анатомия поезда: в поисках идеального места 2:35
При выборе места на аттракционе пассажирам следует ориентироваться на крайние точки поезда, поскольку ощущения в начале, середине и конце состава существенно различаются. Задние ряды обеспечивают максимальное «экранное время» в невесомости (так называемый airtime) в момент преодоления первого крутого спуска. В то же время передние сиденья позволяют острее прочувствовать невесомость на специфических элементах трека, таких как двойные подъемы (double up).
В длинных поездах экстремальные перегрузки и чувство полета распределяются неравномерно и ощущаются сильнее либо на первых, либо на последних рядах. Тем не менее существует класс аттракционов, где проектировщикам удается добиться сбалансированных и одинаково ярких ощущений на любом ряду. В качестве примера эксперт привел один из недавних проектов своей команды, в котором он лично протестировал все 12 посадочных мест и остался доволен результатом. Оптимальный совет для любителей острых ощущений — попробовать прокатиться на каждом сиденье, чтобы составить собственное мнение.
🛠️ Системы тестирования и обеспечение безопасности 3:14
Процесс ввода аттракциона в эксплуатацию начинается с жестких испытаний. Во время самых первых тестовых запусков пустые вагоны заполняют специализированными манекенами, которые по форме имитируют человеческое тело и наполняются водой для достижения нужной массы. Внутри состава монтируется прибор под названием акселерометр. Это устройство фиксирует импульсы напряжения и переводит их в показатели g-сил, возникающих при движении по треку.
Полученные в ходе тестов данные инженеры скрупулезно сопоставляют с расчетными цифровыми моделями. Мониторинг продолжается из года в год, чтобы гарантировать, что со временем конструкция не деформируется, а динамические характеристики остаются неизменными. Помимо этого, специалисты проводят так называемый неразрушающий контроль (NDT) металлических компонентов, проверяя сталь на наличие скрытых трещин, вызванных дефектами материала или ошибками механической обработки. Проверки безопасности — это не разовое событие перед открытием, а непрерывный ежедневный процесс.
🌲 Дерево против стали: конструктивные различия аттракционов 4:38
Традиционные деревянные американские горки конструктивно состоят из множества слоев древесины, поверх которых укладывается узкая стальная полоса, служащая беговой дорожкой для колес. Толщина этой металлической пластины составляет около 3/8 дюйма (примерно 9,5 мм). Дерево — живой материал, который чутко реагирует на окружающую среду: в сырую или дождливую погоду древесина слегка расширяется, из-за чего характер поездки и скольжения меняется в зависимости от метеоусловий.
В отличие от деревянных, современные стальные горки базируются на трубчатых металлических профилях, которые изгибаются в заводских условиях для создания сложнейших петель, поворотов и вертикальных падений. Колесная система вагонеток на таких треках устроена сложнее. Машина фиксируется на рельсах с помощью трех типов колес:
-
Верхние (опорные) колеса принимают основную вертикальную нагрузку.
-
Боковые колеса центрируют состав и предотвращают смещение влево или вправо.
-
Нижние (противоопрокидывающие или uplift) колеса жестко фиксируют тележку снизу, полностью исключая риск схода с рельсов.
Данное инженерное решение позволяет создавать конфигурации, в которых пассажиры могут сидеть над треком, подвешиваться снизу или даже двигаться лицом вниз, имитируя полет Супермена. Примечательно, что технологию тройной фиксации колес еще в начале XX века запатентовал классический дизайнер деревянных горок Джон Миллер (John Miller). Его патенты и по сей день активно применяются в индустрии. Если же в конструкции деревянных горок сталь начинает заменять дерево не только на беговой дорожке, но и в несущих элементах, аттракцион переходит в разряд гибридных.
💻 Секреты проектирования: от цифровой модели к ландшафту 6:33
По мнению Кори Кипера, идеальный баланс между экстремальным страхом и физическим комфортом пассажиров — это коммерческая тайна, сравнимая с секретным рецептом из семи трав и специй Полковника Сандерса. Эксперт считает, что главным мерилом успеха горок является не количество людей, бегущих к урне после поездки, а улыбки, смех и желание посетителей немедленно пройти через турникет еще раз. Процесс создания аттракциона Кипер сравнивает с написанием музыки: у инженеров есть ограниченный набор «нот» (типов перегрузок), но меняя их ритм, последовательность и скорость, можно создавать бесконечное количество уникальных «произведений».
Современный инженер проводит большую часть времени не на строительной площадке, а за компьютером, занимаясь CAD-моделированием и сложнейшими расчетами. Проектирование начинается с изучения спутниковых снимков Google Earth и генерального плана парка. Затем команда инженеров обязательно выезжает на место, чтобы оценить рельеф, перепады высот и понять, как новый объект будет взаимодействовать с уже существующими аттракционами.
В практике Кипера был случай, когда первый крутой спуск горок спроектировали прямо напротив водного аттракциона (Log Flume). При идеальном расчете времени пассажиры поезда получали огромную порцию брызг от проплывающего мимо бревна, что добавило поездке уникальный интерактивный элемент. По убеждению инженера, опытный специалист способен определить, насколько удачным получится аттракцион, просто взглянув на итоговую таблицу расчетных чисел еще до начала строительства.
🔌 Энергетический баланс и экономика длины поездки 10:19
В основе работы любых американских горок лежит закон сохранения энергии. Система оперирует кинетической и потенциальной энергией, а также силой трения. Чтобы запустить процесс, в систему необходимо влить первоначальную энергию: традиционно это делается с помощью подъемного холма (lift hill), либо посредством современных систем магнитного запуска — линейных индукционных (LIM) или линейных синхронных двигателей (LSM). В самом конце поездки избыточная энергия гасится тормозными системами.
Длительность поездки на большинстве современных горок составляет в среднем около двух минут, что напрямую продиктовано финансовыми факторами. Стоимость строительных материалов является главным экономическим ограничением длины трека. Тем не менее в истории индустрии были периоды масштабного соперничества. В 1990-х годах между парками развлечений шла настоящая «гонка вооружений». Благодаря ей появился легендарный аттракцион The Beast — самые длинные деревянные горки в мире (более 7000 футов или 2,1 км), поездка на которых занимает около 6 минут.
В скором времени этот рекорд будет побит: в Саудовской Аравии в парке Six Flags Qiddiya готовится к открытию грандиозный аттракцион длиной почти 14 000 футов (более 4,2 км). Помимо стоимости материалов, администрация парков всегда учитывает пропускную способность (throughput) — количество людей, способных прокатиться за один час. Чтобы увеличить этот показатель, трек разбивают на отдельные изолированные зоны с помощью специальных блочных тормозов (block brakes). Это позволяет безопасно запускать на одну трассу сразу несколько поездов одновременно.
🛠️ Причины поломок и безопасность передвижных луна-парков 11:00
Существует стереотип, что мобильные карнавальные аттракционы, которые можно разобрать и перевезти на грузовиках, менее безопасны, чем стационарные конструкции. Кори Кипер категорически не согласен с этим утверждением и считает его несправидливым. В качестве примера он приводит знаменитый передвижной аттракцион Olympia Looping — самые большие в мире портативные стальные горки высотой 110 футов (около 33,5 метров) и длиной более 4000 футов. Этот гигант, созданный легендарным конструктором Антоном Шварцкопфом (Anton Schwarzkopf), регулярно путешествует по всей Европе. Инспекторы, проверяющие стационарные парки, осуществляют точно такой же жесткий надзор и за передвижными луна-парками, где персонал следует строгим ежедневным, еженедельным, ежемесячным и ежегодным чек-листам технического контроля.
Что касается периодических остановок и поломок горок, то они, по словам инженера, обусловлены сочетанием агрессивных факторов внешней среды и сложностью оборудования. Аттракционы эксплуатируются в тяжелых условиях: под воздействием дождя, снега, ветра, вибраций и даже сейсмической активности. Когда на объекте используется множество сложнейших электрических и движущихся механических компонентов, а также внедряются совершенно новые, ранее не обкатанные технологии, отдельные узлы неизбежно требуют оперативной замены и калибровки.
🔮 Какими будут американские горки через 40 лет? 13:10
Размышляя о будущем индустрии, Кори Кипер выразил уверенность, что проверенная временем классика никуда не исчезнет. Такие исторические объекты, как культовый Cyclone на Кони-Айленде или Wildcat в американском парке Lake Compounce, которому уже исполнилось 100 лет, сохранят свой статус и через четыре десятилетия. Прогресс не сотрет их с лица земли, а лишь подчеркнет их историческую ценность.
Параллельно с этим инженеры продолт раздвигать технологические границы. Поскольку в современном проектировании уже достигнут предел вертикального спуска в 90 градусов, конструкторам придется искать новые формы усложнения геометрии. В шутку эксперт предположил, что в будущем человечество вполне может построить первые американские горки на Луне, где инженерам придется решать совершенно уникальные гравитационные задачи. Вне зависимости от локации, проектировщики продолжат создавать новые комбинации перегрузок, дарящие людям чистый адреналин.
