Leyes y Fuerzas de las Montañas Rusas


Las Leyes de Newton

Ley #1: La Primera Ley del Movimiento de Newton dice que un objeto en reposo tiende a permanecer en resposo mientras que un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que se le aplique una fuerza no balanceada. La fuerza no balanceada aplicada al objeto cambiará su velocidad, su dirección o ambos. La resistencia que el objeto presenta para cambiar su estado de movimiento se conoce como inercia. La inercia de un objeto depende de su masa. Las dos partes de la primera Ley de Newton son: la primera parte que predice la conducta de objetos estacionarios y la segunda, que predice la conducta de objetos en movimiento.

Ley #2: La Segunda Ley de Movimiento de Newton dice que una fuerza no balanceada aplicada a un objeto es proporcional a la masa y a la aceleración del mismo. La aceleración de un objeto producida por una fuerza neta es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza neta, en la misma dirección que la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del objeto.

Ley #3: La Tercera Ley de Movimiento de Newton dice que para cada acción existe una reacción de igual magnitud y dirección pero sentido contrario. Esto significa que en cada interacción hay un par de fuerzas actuando en los dos objetos que interactúan entre sí. El tamaño de las fuerzas en el primer objeto es igual al tamaño de la fuerza en el segundo.

Las Leyes de Gravitación

La energía gravitacional es el resultado de la fuerza gravitacional con la que los cuerpos se atraen entre sí. Comparadas a otras fuerzas, tales como las fuerzas eléctricas, las fuerzas gravitacionales son comúnmente muy débiles. La energía gravitacional es lo que hace que las montañas rusas sean emocionantes. Cuando el "carro" sube la primera colina de la montaña, la energía gravitacional aumenta. Cuando el "carro" deja atrás la colina y empieza a bajar, la fuerza gravitacional es lo que hace que el "carro" acelere. La mayoría de la energía gravitacional del "carro" en la montaña se convierte en energía cinética cuando este deja atrás la primera colina de la montaña. Cuando el "carro" sube la segunda colina, su energía cinética es convertida de nuevo a energía gravitacional. Debido a que la energía cinética del "carro" -al estar en el punto más bajo de la primera colina- es menor que la energía gravitacional en el punto más alto de la primera colina, la segunda colina es más corta que la primera colina. Si la segunda colina tuviera la misma altura que la primera, el "carro" se detendría antes de llegar al punto más alto de la segunda colina y empezaría a descender en dirección contraria. Cada colina en el recorrido debe de ser más corta que la anterior, a menos que el "carro" sea jalado o remolcado de nuevo.

Las Fuerzas Centrípetas

En una montaña rusa de vueltas completas (loops), los principios generales de la fuerza centrípeta están en operación, porque el carro está cambiando de dirección en todo momento durante la vuelta. La fuerza que hace que el carro gire a lo largo de la vuelta es la fuerza centrípeta. Cuando el carro empieza su recorrido a través de la vuelta, la gravedad y el momento están jalando al carro hacia afuera de la vuelta, mientras que la estructura del recorrido proporciona la "fuerza de asiento" ("seat force") que mueve al carro a través de la vuelta completa. Al ascender, el carro alcanza un punto donde la gravedad ya no lo está jalando fuera de la vuelta y por lo tanto está actuando como parte de la fuerza centrípeta jalándolo hacia el centro. Es a partir de este punto y hasta la cima de la vuelta, donde es muy importante que el carro tenga el suficiente momento para neutralizar las fuerzas que lo jalan hacia el centro. Este es un aspecto único de la fuerza centrípeta en un eje vertical: debe de haber el suficiente momento para neutralizar el aumento de fuerza centrípeta que ocurre en la parte superior de la vuelta.

Las Fuerzas Centrífugas

La fuerza centrífuga no es una fuerza real, sino una fuerza percibida. Solamente puede experimentarse desde el punto de vista de un objeto que gira. Según las leyes de Newton, esta no es una fuerza real y Newton se refiere a ella como una "pseudo-fuerza". Su concepto es útil porque nos ayuda a explicar las sensaciones que siente el pasajero en una montaña rusa.

Por ejemplo, al analizar la experiencia de una vuelta completa vertical, es conveniente estudiar las sensaciones del pasajero de forma relativa a la montaña rusa en vez de a la tierra. Para que las leyes de Newton sean aplicables en tal marco de referencia, una fuerza inercial (fuerza centrífuga) de igual magnitud pero en dirección opuesta, debe de ser incluida en las ecuaciones del movimiento. Con un marco de referencia a lo largo de la curva, el carro está en reposo. Para obtener un sistema de fuerzas balanceado, la fuerza centrífuga que actúa hacia afuera debe de ser incluída.