Como funcionam as montanhas-russas

A subida: guardando energia

Quase toda atração começa do mesmo jeito: uma corrente ou um cabo puxa o trem subida acima, devagar, para os passageiros verem a altura a que estão indo. O que o motor coloca fica guardado como energia potencial: a massa do trem, vezes a gravidade, vezes a altura. É a única energia que uma montanha-russa clássica recebe, e o resto da volta a gasta.

As montanhas-russas lançadas pulam a subida. Motores lineares no trilho, ou uma catapulta hidráulica ou pneumática, disparam o trem para fora da estação a toda velocidade em poucos segundos, e ele pode então subir uma colina mais alta do que qualquer subida permitiria.

A queda: altura vira velocidade

Na descida, a energia potencial vira energia cinética (velocidade). Se nada se perdesse, a velocidade lá embaixo seria v = √(2 g h), a mesma para um trem leve e um pesado: cerca de 34 m/s (124 km/h) depois de 60 m, e cerca de 55 m/s (200 km/h) depois dos 157 m que a Mega Montanha-Russa do Park Baron pode subir. A nossa calculadora de força G faz a conta para qualquer altura.

Dali em diante, o trem troca velocidade por altura de novo a cada colina. Ele nunca consegue subir tão alto quanto a subida inicial, porque sempre se perde alguma coisa no caminho.

Atrito e ar: para onde vai a energia

As rodas rolando no aço, os rolamentos e, acima de tudo, o ar empurrando o trem transformam parte da energia em calor e barulho. O arrasto do ar cresce com o quadrado da velocidade, então a parte mais rápida da volta é a que mais perde. É por isso que cada colina depois da primeira é mais baixa, e por isso a parte final de uma volta longa costuma ser mais lenta e mais sinuosa.

O Park Baron simula a mesma coisa: cada tipo de montanha-russa tem o seu próprio atrito (a de madeira chacoalha e é a que mais perde; a Mega Montanha-Russa, a que menos perde), mais um arrasto que cresce com a velocidade. Se você pedir para um trem subir uma colina para a qual ele já não tem energia, o teste empaca e diz em qual peça ele voltou de ré.

Os loops, e por que eles são gotas

Num loop vertical, o trilho precisa empurrar os passageiros pela curva. No topo, a gravidade ajuda, então o trem só precisa de velocidade suficiente para os passageiros ficarem nos assentos. O problema é o círculo perfeito: com a velocidade exata no topo, os passageiros sentiriam cerca de seis vezes o próprio peso lá embaixo. Os primeiros loops circulares dos anos 1890, como o Flip Flap Railway de Coney Island, ficaram famosos por machucar pescoços.

A solução, usada pela primeira vez numa montanha-russa moderna em 1976, é um loop em forma de gota (uma clotoide): a curva é fechada em cima, onde o trem está lento, e aberta embaixo, onde ele está rápido. A força G fica muito mais uniforme ao longo de toda a volta.

O que os passageiros sentem: forças G

Os passageiros sentem a aceleração como peso. Ficar sentado parado é 1 g. Num vale, no pé de uma queda, eles são pressionados contra o assento com vários g; sobre a crista de uma colina rápida, ficam mais leves, e abaixo de 0 g flutuam contra a trava: o “airtime” que os fãs de montanha-russa adoram. O g de um lado para o outro (lateral) nas curvas rápidas é o menos confortável, e é por isso que o trilho de verdade se inclina nas curvas.

Os projetistas fazem as forças fortes durarem pouco. Normas como a ASTM F2291 permitem mais por uma fração de segundo do que por vários segundos, e menos para g negativo do que para positivo.

Freios e blocos: parando com segurança

Uma montanha-russa termina com trechos de frenagem: aletas no trem passam entre pastilhas de freio ou ímãs que o desaceleram, então o trem sempre chega à estação a passo de caminhada. Os freios de bloco dividem o circuito em trechos, e um trem só pode entrar num trecho depois que o da frente saiu dele. É isso que permite a uma montanha-russa movimentada rodar dois ou três trens ao mesmo tempo sem que eles se encontrem.

Veja no editor do Park Baron

No Park Baron você constrói uma montanha-russa peça por peça e faz um teste antes de ela abrir. A aba Gráficos mostra a velocidade, a altura e o g vertical e lateral da volta toda, segundo a segundo, então você vê para onde vai a energia e qual curva puxa forte demais. Todo problema tem nome: uma empacada aponta para a colina, um trecho de bloco para o freio que falta.