FUNCIONAMIENTO

Como y por qué funciona una coaster?

Las coasters están movidas casi en su totalidad por fuerzas de inercia, de gravedad, centrífugas y centrípetas, todo ello aplicado a la creación de una atracción. Los parques de atracciones siguen construyendo coasters cada vez más complejas y más rápidas, pero los principios básicos que hacen que una estructura mecánica de este tipo funcione, siguen siendo los mismos.

A continuación vamos a los principios que provocan que los carros de las coasters se muevan sobre la pista, así como las fuerzas y accesorios necesarios, que hacen tan divertidas éstas atracciones.

Todo lo que sube debe bajar

A primera vista una coaster es como un tren de pasajeros. Consiste en una serie de carros interconectados que se mueven por unas vías.
Pero, a diferencia de un tren de pasajeros, la coaster no tiene motor o fuente de propulsión en si misma. Para la mayoría de las coasters, su única fuente de movimiento son las fuerzas de la INERCIA y la GRAVEDAD.
La única aplicación de una fuente de energía extra se produce al principio del recorrido, cuando el tren completo es izado hasta la parte más alta del “lift”.

El propósito de este ascenso inicial es el de acumular ENERGIA POTENCIAL. El concepto de energía potencial (en adelante EP) es muy simple: Cuanto más alto sube el tren de la coaster, mayor es la distancia con que la fuerza de la gravedad puede tirar de él de nuevo hacia el suelo….sencillo, no?
Experimentamos este fenómeno a diario. Conduciendo el coche, llevando la bicicleta, esquiando, etc. La EP que se acumula subiendo una montaña por ejemplo con nuestro coche, se transforma en ENERGIA CINETICA en adelante EC, (que viene del griego KINETIKOS que quiere decir “movimiento”) haciendo que éste baje sólo por el otro lado. ¿Entendido?

La energía de una coaster está continuamente cambiando entre Energía Potencial (EP) y Energía Cinética (EC)
En lo más alto del primer tramo (lift) hay una cantidad máxima de EP ya que el tren no puede subir más. Cuando comienza a bajar, la EP se transforma en EC haciendo que el tren acelere.
En la parte más baja de la primera caída encontramos una cantidad máxima de EC, la cual hace que el tren de nuevo comience el ascenso, acumulando de nuevo EP.
Este intercambio de energías hace que llegue a dar la vuelta en el looping sin que se pare, y por tanto pueda llegar al final del recorrido, donde, normalmente hay que utilizar unos frenos para poner a cero la EC que trae el tren de la última parte del recorrido.

Lo mismo le ocurre a una coaster.

Cuando se suelta el carro en la parte más alta del lift, la gravedad toma el control, aplicando una fuerza constante al conjunto de los carros. La vía sirve para canalizar esta fuerza, ya que indica por donde ha de caer el tren. Si la pendiente es cuesta abajo, la fuerza de la gravedad (en adelante Fuerza G) tira del carro hacia delante, haciendo que el tren acelere. Si la vía asciende, la Fuerza G se aplica en sentido contrario al que lleva el tren, frenándolo.
Según la primera Ley del Movimiento, dictada por Sir Isaac Newton, “Un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento” . Partiendo de esto, el tren mantendrá una velocidad hacia delante incluso si la vía asciende, opuesta a la fuerza de la gravedad. Cuando el tren asciende una de las pequeñas colinas que siguen a la caída inicial, su EC cambia de nuevo a EP. En este punto, el cambio de EP a EC y viceversa es constante en tanto no exista nada que detenga la marcha del conjunto. Estas variaciones en la aceleración es lo que hace las roller coasters más divertidas.
En la mayoría de las coasters. Las colinas van perdiendo altura a medida que vas avanzando por la vía. Esto es necesario porque la acumulación de la EP acumulada en la parte más alta del lift se va perdiendo gradualmente debido a la fricción entre el tren y la vía., así como entre el tren y el aire. Cuando se llega al final de la vía, la EC existente es casi nula. En este punto, o bien se para el tren completamente o bien se le manda de nuevo a través del lift para otro paseo.
Y así tenemos el concepto básico de lo que es una coaster, una máquina que utiliza la gravedad y la inercia para mandar un tren a través de una vía serpenteante. A continuación veremos algunos de los componentes que hacen que esta máquina funcione.

Permaneciendo en la vía

Acabamos de ver los elementos básicos que configuran una coaster. Los carros se deslizan por una sinuosa vía. Esta co

mienza con una subida pronunciada, la cual dota al conjunto de un elevado nivel de EP. El resto de colinas, senos, giros, inversiones y vueltas, sirven para cambiar dicha EP en EC. Conforme se va moviendo el tren, va perdiendo dicha EC por culpa del rozamiento, hasta que llegamos al final del recorrido.

Hay dos tipos básicos de coasters, distinguidas principalmente por la estructura de la pista. Las de madera, wooden roller coasters, que vienen a ser como un tren tradicional de pasajeros, y las steels coasters, cuya estructura es completamente de acero. De momento vamos a centrarnos en las primeras para aprender unas cuantas cosas.

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 Magnus Colossus en Terra Mitica, (Benidorm), España. Construida en el año 2000, posee varios de los elementos básicos de las wooden coasters. Medusa en Six Flags Great Adventure en Jackson (NJ), USA. Ejemplo de suavidad y buen hacer en la construcción de una steel coaster.

 Las ruedas de metal en los carros de las wooden coasters giran sobre una banda de metal, de unos 10 a 15 cm. de ancho. Esta banda se encuentra fijada a una robusta vía, hecha de madera laminada.

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Stampida en Universal Mediterránea.
Podemos apreciar la banda de roce.

En muchas coasters, las ruedas de los carros tienen el mismo diseño que las ruedas de los trenes convencionales. La parte interior tiene un reborde amplio que impide que el carro se salga lateralmente de la vía. Asimismo, también hay otro juego de ruedas (a veces es una barra de seguridad) que discurre por debajo de la vía. Esto impide que el carro se despegue de ella y salga despedido.

Aquí os pongo unos esquemas sobre los tres tipos de carros que podemos encontrar en las wooden roller coasters (en adelante WOODIES).

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Las pistas de las woodies se encuentran reforzadas por travesaños y vigas de soporte. Todo el conjunto descansa en un intrincado enrejado de vigas de madera o acero, similar al armazón que soporta una casa o un rascacielos. Con estos materiales, los diseñadores pueden combinar las colinas, giros e inversiones, en un sinfín de trayectos. No obstante, y debido a la propia naturaleza de la madera, la principal emoción en una woodie es ir arriba y abajo a lo largo del recorrido.

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Colossos en Heide Park, Soltau, (Alemania).
Se puede apreciar los soportes sobre los que descansa la estructura.

Inicio del recorrido y final.

Como ya hemos visto, el tren que se desliza por la vía no dispone de un motor propio. Para la mayoría de las coasters, el tren es movido por la Fuerza G y por lo que llamamos MOMENTO. Si nos vamos al campo de la física, la definición de momento se llena de formulas…y no quiero marear. Así que, básicamente, y para hacernos una idea de lo que tenemos entre manos definiremos el Momento como “la cantidad de movimiento que tiene un cuerpo”. Es decir, si subimos un tren hasta lo más alto del lift, o como en otros sistemas, le damos un poderoso empujón, habremos dotado a ese cuerpo de un MOMENTO que hará que complete el recorrido.

El mecanismo tradicional de izado del tren es un tramo largo de cadena (o cadenas) que suben hasta el punto más alto justo por debajo de la pista. Esta cadena se une a dos engranajes, uno en la parte más alta y otro en la más baja, en un ciclo sin fin. En la parte baja, un único motor se encarga de dicho movimiento. El carro se agarra a dicha cadena por medio de unas sujeciones (en inglés chain dogs) fuertemente enganchadas entre sí. Cuando el tren sale de la estación es sujetado por la cadena, hasta llegar a la parte más alta, donde debido a la diferencia de ángulo entre la cadena y las sujeciones del carro, esta se suelta, liberando al carro el cual comenzará el recorrido.

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Goliath en Walibi World.
Se observa la subida hasta los 47 metros utilizando un sistema de izado por cadena.

En las últimas novedades en coasters, hay un sistema nuevo de lanzamiento, llamado de catapulta. Dentro de esta variante se distinguen varios tipos, pero todos ellos hacen básicamente lo mismo. En lugar de arrastrar el tren hacia el lift, lo que hacen es empujarlos mediante sistemas hidráulicos o de energía electromagnética hacia el punto más alto de su recorrido, obteniendo la misma finalidad: dotar al tren de una alta cantidad de EP.

Un sistema muy popular de catapulta es el Motor por Inducción Lineal (en adelante LIM), el cual genera dos campos magnéticos, uno en la vía y otro en la parte inferior del tren, los cuales son atraídos mutuamente. El motor mueve el campo magnético de la vía, tirando del tren a alta velocidad. Las ventajas de este sistema son la velocidad que se alcanza, la eficacia, durabilidad, precisión y control sobre el mismo.

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Hypersonic XLC en Paramount´s Kings Dominion, en Doswell, (Virginia USA). Se utiliza otro sistema de propulsión basado en el aire comprimido. (S&S Power)     Superman The Escape en Six Flags Magic Mountain, en Valencia California. Un ejemplo magistral de propulsión por sistema LIM.

Para que veáis como funciona el sistema LIM podéis echar un ojo a esta animación.    foto

Otro sistema utilizado es el compuesto por docenas de ruedas de caucho giratorias para subir el tren al lift. Básicamente, estas parejas de ruedas macizas bloquean la parte baja del tren y se la van pasando unas a otras, hasta conseguir subirlo a la parte más alta (se que suena extraño pero es la forma más gráfica que he encontrado para explicarlo).

Como cualquier tren, las coasters necesitan de un sistema de frenado que pueda detenerlo con total precisión al final del recorrido., o en caso de emergencia. En las coasters, los frenos no forman parte del tren, sino que están situados en la vía. El sistema es muy simple. Un grupo de abrazaderas están dispuestas al final de la pista, y en algunos otros puntos concretos del recorrido. Un ordenador central acciona un sistema hidráulico que cierra esas abrazaderas cuando el tren necesita parar. Se cierran en torno a unas aletas de metal que llevan los carros en la parte baja, y poco a poco, debido a la fricción van deteniendo el tren.
En la siguiente sección explicaré algunas de las sensaciones que se sienten durante el trayecto en una coaster, para saber que las causa y por qué son tan agradables.

Más ligero que el aire.

En los apartados anteriores hemos visto las maquinarias que mandan a los carros a través de los diferentes recorridos existentes, y las fuerzas que se generan y que influyen directamente sobre nosotros. Inversiones, vueltas, giros, aceleraciones…..hacen que nos movamos en todas las direcciones. Pero, por qué es este jaleo tan divertido para unas personas…..y tan horroroso para otras?
Para entender las sensaciones que se sienten en una coaster echemos un vistazo a las fuerzas que afectan a nuestro cuerpo. Cuando estás de pié la Fuerza de la Gravedad está tirando de ti hacia el suelo. Pero lo que realmente sientes, y puede parecer extraño, es la fuerza que el suelo ejerce contra ti, y que evita que continúes cayendo hacia el centro del planeta. El suelo te empuja los pies, los pies a tus piernas, estas a la cadera y a la columna vertebral, la cual hace lo propio con tu caja torácica, tu cuello y tu cabeza. A esto se le conoce como PESO. En cualquier punto del recorrido de una coaster la Fuerza G está tirando de ti hacia el suelo.

La otra fuerza que actúa sobre nosotros es la ACELERACION. Cuando estas montado en una coaster, y el carro va a velocidad constante, solamente sientes la Fuerza G tirando de ti hacia abajo. Pero en el momento en que el carro modifica su velocidad, a más o a menos, tu sientes que te despegas del asiento o por el contrario te hundes en el. A esto llamamos G´s Negativas (si tiendes a salir despedido del carro) o G´s Positivas (cuando te pegas más a tu asiento). Sentimos estas fuerzas por causa de la INERCIA, que es la capacidad que tienen todos los cuerpos de continuar en movimiento. La primera Ley de Newton establece que “todo cuerpo en movimiento tiende a seguir en movimiento”. Esto quiere decir que tu cuerpo tenderá a continuar en la misma dirección y con la misma velocidad a menos que otra fuerza actúe sobre ti para cambiar tu dirección o movimiento. Cuando el carro aumenta de velocidad, te empuja aumentando tu velocidad. Cuando el carro pierde velocidad, tu cuerpo pretende continuar con al velocidad que llevaba momentos antes, actuando en esos momento el arnés de sujeción, el cual no hace más que disminuir esa cantidad de movimiento que llevas, y por tanto evitar que salgas hacia adelante.

La aceleración se siente en el cuerpo de una forma muy extraña. Cuando el carro acelera, la única fuerza que está actuando contra ti en esos momentos es la del propio carro que te impulsa hacia delante. Pero, debido a la inercia de nuestro cuerpo sentimos una fuerza contraria que nos incrusta en el respaldo del asiento. Siempre sentimos el empuje de la aceleración en el sentido contrario de la fuerza que nos acelera. Esta fuerza, que llamaremos Fuerza de Aceleración , se siente de la misma forma que la Fuerza de la Gravedad. De hecho la Fuerza de Aceleración se mide en Fuerzas G, donde 1 G es igual a la fuerza de aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, con un valor de 9.8 m/s2.

O sea, que ya sabemos de donde viene el término G, cuando nos liamos a comentar que si esta coaster tiene 3 ó 4 G´s.

Una coaster se aprovecha de esta similitud entre las fuerzas. Cambia constantemente su posición y su aceleración respecto del suelo, haciendo que la aceleración y la gravedad interactúen constantemente. Si viésemos nuestro peso en una balanza durante el recorrido veríamos como oscila de forma exagerada, dependiendo del punto de la coaster en que nos encontremos.

En la parte más alta de una colina de una coaster estándar, la inercia puede hacer que te despegues del asiento en el momento en el que el carro comienza el descenso. A esto se llama AIR TIME, y gracias a las barras de sujeción no salimos despedidos.

El balance entre la aceleración y la gravedad es realmente lo que hace que las coasters sean tan atractivas o tan odiadas. En ellas, las sensaciones de variación en el peso son sumadas a los cambios visuales que observamos. Los cambios de posición, las inversiones, las tremendas alturas, las estructuras que pasan ante nuestros ojos a velocidades de vértigo. Realmente la visión es una de las partes más importantes para indicarnos a que velocidad nos movemos. Nuestros cuerpos no sienten la velocidad en sí misma, sino un cambio en esta, que como ya hemos visto se llama aceleración. Por lo único que sabemos a que velocidad nos desplazamos es tomando como referencia puntos fijos como la estructura de la misma coaster, o incluso, el viento en nuestro rostro. Los diseñadores juegan con estas sensaciones haciendo muchas veces que pasemos tan cerca de la estructura que nos parece que vamos a perder los pies o la cabeza.

Uno de los elementos más excitantes que conforman una coaster es el looping. Estas estructuras ponen el mundo al revés durante unos segundos. Conforme los atravesamos, nuestra inercia no solo provoca una agradable aceleración sino que nos mantiene pegados al asiento cuando estamos cabeza abajo. En el siguiente apartado veremos como funciona el looping.

Sintiendo el looping

El looping funciona exactamente como una centrifugadora. Conforme nos aproximamos a él, nuestra velocidad de inercia la llevamos por delante. Pero la pista mantiene el carro, y por tanto, nuestro cuerpo, por el camino existente, es decir, la vía. La fuerza de nuestra aceleración nos empuja hacia fuera del carro y nuestra inercia hacia adentro. Nuestra propia inercia exterior crea una especie de falsa gravedad que hace que permanezcamos en el carro incluso al estar invertidos. No obstante, necesitamos un arnés de seguridad, aunque en la mayor parte de los loopings, podríamos estar en el carros sin necesidad de el, ya que la fuerza que predomina (FUERZA RESULTANTE) nos empuja hacia el interior del carro.

Conforme nos movemos por el looping, la fuerza resultante que actúa sobre nuestro cuerpo cambia constantemente. En la parte más baja del looping, la aceleración nos empuja en el mismo sentido que la gravedad. Como ambas van en el mismo sentido, nuestros cuerpos son comprimidos contra el asiento (G´s positivas) En la parte intermedia del looping, la gravedad continua empujándonos hacia el interior de nuestro carro, mientras que la aceleración nos empuja hacia el suelo. El único problema es que el suelo ya no está donde estaba. En la parte más alta del looping, cuando estamos completamente cabeza abajo, la gravedad nos está sacando de los asientos, hacia el suelo, pero la aceleración, que es mucho más fuerte en este punto nos manda hacia el exterior, es decir hacia el cielo, pero como entre el cielo y nuestros cuerpos están los carros, nos mantenemos pegados a ellos, por lo que no nos caemos. Asimismo, como las dos fuerzas quedan anuladas, sentimos que nuestros cuerpos son muy ligeros, llegado a estar ingrávidos durante unos instantes. Pero eso cambia en cuanto descendemos, porque de nuevo comenzamos a aumentar nuestro peso.

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Mientras estas fuerzas están agitando todas las partes El diseño en forma de de tu cuerpo, tus ojos ven el mundo entero del revés. Para muchos adictos a las coasters, el mejor momento es cuando te sientes tan ligero como una pluma y todo lo que puedes ver es el cielo.

En un looping, la intensidad de la fuerza de aceleración viene determinada por dos factores: la velocidad del tren y el ángulo de giro. Cuando el tren entra en el looping, tiene la máxima EC, es decir, se mueve a su máxima velocidad. En la parte más alta del looping, la gravedad ha frenado el tren un poco, por lo que ahora su EC ha disminuido, por lo que ahora se mueve más lento, pero al estar más alto ha aumentado su EP.

Originalmente, los diseñadores de coasters construían los loopings completamente redondos. En este diseño, el ángulo de giro era constante en todo momento. Para mantener el carro pegado a la vía en la parte más alta, debían crear una fuerza de aceleración lo suficientemente fuerte, lo que motivaba una alta velocidad en dicho punto. Una alta velocidad implica una gran fuerza, lo cual era muy incómodo para los pasajeros.
El diseño en forma de lágrima hace mucho más fácil el balance entre estas fuerzas. El giro es mucho más suave en la parte más alta que en los laterales. De esta forma, se puede mandar el tren por el looping lo suficientemente rápido para que al llegar a la parte más alta. Esto nos da la fuerza suficiente para continuar el recorrido, sin aplicar demasiada, lo que podría resultar peligroso.

 

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