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 au travail.
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 analysant 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 du cours de dynamique des montagnes russes de l’université.
Terminer le circuit
Commençons par les bases. Les montagnes russes, comme tout le reste, doivent obéir à la loi de la conservation de l’énergie, ce qui signifie que le train ne peut aller aussi vite et aussi loin que le permet la quantité d’énergie stockée (potentielle).
L’énergie potentielle provient généralement du fait de soulever le train sur 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 redevient de l’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 d’air, le point le plus élevé d’une montagne russe traditionnelle (pensez aux manèges Goliath ou Twisted Colossus de Six Flags Magic Mountain) est presque toujours la première colline. S’il y a une autre chute majeure plus haute que la première, les concepteurs ajoutent plus d’ascenseurs (pensez : la grande chute à la fin de Disney’s Splash Mountain).
Certaines montagnes russes descendent à plus de 90 degrés, se courbant 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 Kingda Ka de Six Flags Great Adventure ou 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 électroaimants intégrés à la piste et aux voitures. Les montagnes russes de lancement ne nécessitent pas de gigantesques collines de levage (ce qui économise beaucoup d’espace) et offrent un autre type de frisson d’anticipation. “Les grands parcs veulent une variété d’expériences pour les cyclistes et les montagnes russes sont un excellent moyen de changer la sensation”, déclare Rhoads.
Boucles, retournements et virages
Les ingénieurs génèrent des sensations fortes grâce à l’accélération, en modifiant essentiellement 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. Boucles, tire-bouchons et virages serrés forcent le corps des cyclistes 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”, déclare Rhoads. “Vous devez vous assurer que vous n’induisez pas de secousses” ou de changements d’accélération pouvant entraîner un coup de fouet cervical. Tout ce qui se déplace dans un mouvement circulaire subit un autre type d’accélération appelée accélération centripète, qui augmente à mesure que la voiture va vite ou que le cercle est petit. Une boucle circulaire provoquerait une secousse par l’addition soudaine de l’accélération centripète. Une forme en forme de larme contrôle cette accélération, facilitant le passage du cycliste dans la boucle et empêchant les à-coups.
Et puis il y a les roulades, qui peuvent désorienter les coureurs de plusieurs façons. 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. Colossus à Thorpe Park (ci-dessus) est le meilleur exemple de rouleaux de ligne de cœur au travail – le trajet de 90 secondes comprend 10 inversions, dont quatre rouleaux de ligne de cœur consécutifs. “On verra plus [coasters with] plusieurs rouleaux en série l’un après l’autre », a déclaré Rhoads, « car cela crée une énorme quantité de désorientation.
Le bois contre l’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 coureurs les préfèrent-ils ? “Les gens… aiment l’anticipation, leur branlement qui les amplifie un peu. Ils veulent avoir l’impression que la structure bouge sous eux”, explique Rhoads. “Les sous-verres en acier sont presque l’exact opposé. C’est comme conduire un véhicule antique par rapport à la conduite de la voiture de sport la plus récente.”
Les sous-verres 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 nombre limité de façons de faire voyager les gens dans de petits chariots en les envoyant de haut en 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 retournements sans avoir besoin de plus de boucles. Vous pouvez vraiment le voir sur The Joker at Six Flag’s Great Adventure (ci-dessous).
Cependant, les expériences de montagnes russes sont plus que la simple somme de leurs accélérations. D’autres constructeurs ajoutent des lumières, de la fumée, envoient des sous-verres sous terre et ajoutent des “head” et des “foot choppers”, des barres proches mais pas trop proches qui fournissent un élément supplémentaire de frisson 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 plus possible avant longtemps.”
