ในบรรดาเครื่องเล่นในสวนสนุก เครื่องเล่นมหัศจรรย์ชิ้นหนึ่ง ชื่อของมันคือ รถไฟเหาะตีลังกา เพราะการเคลื่อนที่ของมันเป็นไปตามหลักการทางฟิสิกส์ล้วนๆ อาทิเช่น มวล ความเร่งโน้มถ่วง และแรงเข้าสู่ศูนย์กลางเป็นต้น ในสวนสนุกขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง ล้วนแต่มีรถไฟเหาะตีลังกาอยู่ทั้งสิ้น ทางวิ่งของรถไฟเหาะดูใหญ่โตมโหฬาวนเวียนไปมาหน้าเวียนหัวยิ่ง

รถไฟเหาะตัวนี้อยู่ที่ประเทศอังกฤษ ทางวิ่งยาว1524 เมตร คือ กิโลเมตรครึ่ง

หลักการทำงานของรถไฟเหาะ ก็คล้ายกับการเคลื่อนที่รถรางเด็กเล่น ที่เราท่านเคยเล่นเมื่อตอนเป็นเด็ก เป็นการวิ่งอยู่บนทางราบ แต่สำหรับรถไฟเหาะ เป็นรถรางที่ขยายขนาดขึ้น และวิ่งด้วยความเร็วที่สูง แถมยังตีลังกาหกคะเมนได้ด้วย รถไฟเหาะไม่มีเครื่องยนต์หรือแหล่งขับเคลื่อนภายในตัวเอง มันเคลื่อนที่ได้ด้วยแรงเฉื่อย กับแรงโน้มถ่วง ให้พลังงานจากภายนอกเพียงครั้งแรกเท่านั้น ตอนที่เลื่อนรถไฟขึ้นเนินแรก ซึ่งเป็นเนินเริ่มต้น และเป็นเนินที่สูงที่สุด

การเคลื่อนที่ของรถไฟเหาะมาจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงยิ่งรถไฟอยู่สูงจากพื้นมากเท่าไร พลังงานศักย์โน้มถ่วงยิ่งมีค่ามากขึ้นเท่านั้นเหมือนกับการที่ท่านขี่จักรยานขึ้นเนินเขาพอถึงจุดสูงสุด และปล่อยให้ไหลลงมาจากเนินความเร็วของรถจักรยานจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆยิ่งสูงมากเท่าไร ความเร็วของรถทางด้านล่างจะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นเมื่อรถไฟเหาะเลื่อนลงจากเนินแรกซึ่งเป็นเนินที่สูงสุดความเร็วจะเพิ่มขึ้นพอถึงข้างล่างความเร็วทำให้รถไฟพุ่งต่อไปยังเนินที่สองขณะที่ไต่เนินขึ้นความเร็วจะลดลง

เมื่อเราพิจารณาด้วยกฎการทรงพลังงาน เราอาจจะประมาณได้ว่าพลังงานศักย์ของขบวนรถไฟ เมื่อรถไฟเหาะเคลื่อนไปอยู่ที่จุดสูงสุดนั้น จะเปลี่ยนมาเป็นพลังงานจลย์ของรถไฟเหาะที่จุดต่ำสุด

รถไฟเหาะขนาดใหญ่สูงถึง62 เมตร ขณะที่เลื่อนลงจากเนินแรก ความเร็วที่จุดต่ำสุดวัดได้ถึง 119 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

เหตุผลที่เนินที่สองมีขนาดเตี้ยกว่าเนินแรกก็เพราะว่า รถไฟต้องสูญเสียพลังงานไปกับแรงเสียดทาน และแรงต้านอากาศเนินถัดไปจึงต้องมีขนาดเตี้ยลงไปตามลำดับ

เมื่อ คือมวลของรถไฟเหาะ, คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก,คือความสูงของรถไฟเหาะวัดจากจุดที่สูงที่สุดมายังจุดที่ต่ำที่สุด และคือความเร็วของรถไฟเหาะที่จุดต่ำที่สุด

จากการคำนวนพบเมื่อรางมีความสูง 62 เมตรรถไฟเหาะตีลังกาจะสามารถทำความเร็วได้ถึง 125.56 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่วัดได้คือ 119 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งอาจจะคลาดเคลื่อนเนื่องมาจากแรงเสียดทานต่างๆ รถไฟวิ่งเหาะเหินอยู่บนรางได้ โดยมีจุดเริ่มต้นเป็นเนินสูงซึ่งช่วยเก็บสะสมพลังงานศักย์โน้มถ่วง และเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานจลน์เมื่อลงจากเนิน

รถไฟเหาะตีลังกาโครงสร้างทำด้วยไม้ อยู่ในสวนสนุก ประเทศสหรัฐอเมริกาสร้างขึ้นในปี1924

โครงสร้างของรถไฟแยกออกเป็น2ประเภทคือ1.ทำด้วยไม้2.ทำด้วยเหล็ก โครงสร้างที่ทำด้วยไม้ถูกสร้างขึ้นมาก่อน โดยใช้แผ่นเหล็กขนาด10ถึง15 cmทำเป็นรางขนาน ยึดเข้ากับไม้ ล้อวิ่งซ้อนอยู่บนรางที่ทำเป็นปีกไว้ ทำให้ล้อไม่หลุดออกมาขณะที่วิ่งอยู่บนรางด้วยความเร็วสูง

โครงสร้างไม้ทำหน้าที่รองรับน้ำหนัก เปรียบเทียบได้กับโครงสร้างของบ้าน หรือ ตึก ที่ช่วยรองรับน้ำหนักของบ้านและตึกทั้งหลังได้ แต่เนื่องจากไม้ดัดและขึ้นเป็นรูปต่างๆได้ยาก โครงสร้างทีทำด้วยไม้จึงดัดแปลงให้มีรูปทรงที่สลับซับซ้อนได้ยาก และเสียงที่เกิดบนโครงสร้างไม้เมื่อได้ยินแล้วน่ากลัว

รถไฟเหาะตีลังกาที่ทำด้วยเหล็กยาว1269เมตร หมุนเป็นวง และบิดเป็นเกลียว

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจากไม้เป็นเหล็กเกิดขึ้นในปี1960นับเป็นการปฏิวัติรถไฟเหาะอย่างแท้จริงเหล็กถูกทำให้เป็นท่อขนาดใหญ่ ส่วนรางยึดติดกับท่อนี้ ทำให้มีความมั่นคงแข็งแรง น้ำหนักโดยรวมเบากว่าไม้ การขึ้นรูปทำได้ง่ายกว่าไม้ ผู้ออกแบบและผู้เล่นจึงมีความมั่นใจในโครงสร้างเหล็กมากกว่า

เสียงที่เกิดจากโครงสร้างเหล็กน้อยกกว่าเสียงที่เกิดจากโครงสร้างไม้ เพราะเหล็กเลื่อนและยุบตัวได้น้อยกว่าไม้ อย่างไรก็ตามนักเล่นรุ่นเก๋าบางท่านชอบเสียงที่เกิดจากโครงสร้างไม้มากกว่า เพราะว่ามันให้อารมณ์ความรู้สึกมากกว่า ท่านว่าอย่างนั้น

รถไฟเหาะไม่ได้มีมอเตอร์อยู่บนตัวรถไฟ การเคลื่อนที่ของมันจึงต้องอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก และโมเมนตัมที่เกิดจากมวลของรถไฟ เพื่อจะสร้างโมเมนตัมให้มีค่ามากๆ รถไฟเหาะจะต้องถูกยกขึ้นไปบนเนินแรกก่อน

เนินแรกต้องมีขนาดสูงมาก เพื่อสร้างพลังงานศักย์โน้มถ่วง ในรูป เป็นทางเลื่อนลงทำมุม 65 องศา

ในอดีตการเลื่อนรถไฟเหาะขึ้นไปบนเนินตอนแรก ต้องใช้รอกขนาดยักษ์ 2 อัน อันแรก อยู่ส่วนล่างของเนิน อันที่สองอยู่บนจุดสูงสุดของเนิน คล้องด้วยโซ่ มอเตอร์ขับเคลื่อนรอก และโซ่ให้เคลื่อนที่ขึ้น ข้างใต้ของรถไฟจะมีตะขอเกี่ยวเข้ากับโซ่ และถูกดึงขึ้นไปพร้อมกับโซ่อย่างช้าๆ เมื่อถึงจุดสูงสุด ตะขอจะหลุดออกจากโซ่ และรถจะเลื่อนไหลลงออกจากเนินแรก

รถไฟเหาะยุคไฮเทค ใช้แรงส่งจาก มอเตอร์แนวตรง ( Linear induction motors) ซึ่งจะช่วยส่งแรงให้กับรถเหาะเป็นช่วงๆตลอดแนว นักออกแบบบางคน ใช้ล้อขับด้วยมอเตอร์ช่วยส่งแรงเป็นช่วงๆก็ได้ ส่วนระบบเบรกทำเป็นก้ามปูหนีบเพื่อสร้างแรงเสียดทานขึ้นตามแนวทางวิ่งซึ่งจะช่วยชลอความเร็วของรถให้ช้าและหยุดลง

มอเตอร์แนวตรง ( Linear induction motors) มีหลักการทำงานดังนี้

ขั้นตอนที่ 1

แม่เหล็กถาวรที่ด้านล่างของรถไฟ ซึ่งแม่เหล็กนี้จะเลื่อนไปตามรางรถไฟ และมีแม่เหล็กถาวรที่สองเลื่อนไปข้างหน้าบนรางรถไฟตรงตำแหน่งที่ถูกต้อง แม่เหล็กทั้งสองจะผลักกันสร้างแรงที่ทำให้รถไฟเคลื่อนที่

ขั้นตอนที่ 2

แทนที่จะมีการการ เลื่อนแม่เหล็กอันที่สองไปตามราง แม่เหล็กถาวรอันแรกที่อยู่ด้านล่างของรถไฟจะถูกเปลี่ยนให้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้เราสามารถเลือกที่จะ เปิด และปิด วงจรเมื่อแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องเพื่อเหนี่ยวนำแม่เหล็กปิดวงจรไฟฟ้าให้แม่เหล็กไฟฟ้าเกิดการเหนี่ยวนำ เพื่อให้เกิดแรงผลักกับรถไฟ และเปิดวงจรเพื่อหยุดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าก่อนที่แม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนเข้าใกล้กับแม่เหล็กถาวรอันถัดไปจนเกินไป การเปิดและปิดของวงจรแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นวัฎจักร เพื่อให้รถไฟเคลื่อนต่อไปข้างหน้า ในขั้นตอนการหยุดรถไฟการเปิดและปิดของวงจรแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดในทางตรงกันข้ามเพื่อสร้างแรงผลัก

ขั้นตอนที่ 3

แม่เหล็กถาวรที่ติดตั้งไว้กับรางจะถูกเปลี่ยนให้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ละท่อนของแม่เหล็กจะประกอบด้วยอลูมิเนียมประกอบกันประกอบกันมีโครงสร้าง คล้ายบันไดทำหน้าที่เป็น แม่เหล็กไฟฟ้าเรียงกันไปโดยที่ไม่ได้รับการจ่ายไฟ เมื่อแม่เหล็กไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่ส่วนล่างของตัวรถไฟเคลื่อนที่ผ่านยังตำแหน่งที่เหมาะสม ระบบจะปิดวงจรทำให้แม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่วนล่างของรถไฟมีความเป็นแม่เหล็ก ทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำขึ้นที่แม่เหล็กไฟฟ้าบนตัวราง สนามแม่เหล็กทั้งสองจะผลักกันทำให้รถไฟมีการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า วงจรควบคุมการทำงานจะดำเนินขั้นตอนเช่นนี้ในทุกๆครั้งที่แม่เหล็กไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่ส่วนล่างของตัวรถไฟ เคลื่อนที่มาอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 4

เพื่อปรับปรุงความเร็วของรถไฟ เราจะต้องติดตั้งแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่าในขณะใดๆ จะมีแม่เหล็กจำนวน40 %เลื่อนเข้ามาอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม ซึ่งจะสามารถสร้างแรงผลักดันให้รถไฟเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ โดยทั่วไปรถไฟมักจะใช้พลังงานไฟฟ้าจากรางโดยนิยมเรียกว่ารางที่สาม

รถไฟเหาะรุ่นนี้ มีลักษณะเหมือนกับบูมเมอแรง เมื่่อวิ่งไปข้างหน้า แล้วสามารถเลี้ยวกลับทำมุม360องศาได้

เพื่อที่จะเข้าใจความรู้สึกของผู้เล่นได้อย่างท่องแท้ เราจะต้องศึกษาแรงที่กระทำบนตัวของผู้เล่นก่อน ปกติถ้าเรานั่งนิ่งๆ และไม่มีการเคลื่อนที่ จะมีแต่น้ำหนักเท่านั้นที่กระทำกับตัวเรา เราชินกับน้ำหนักของตัวเองมาตั้งแต่เกิด ดังนั้นจึงไม่มีความรู้สึกอะไร

อย่างไรก็ตามถ้าท่านเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ จะไม่มีแรงกระทำกับตัวท่าน ตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ที่กล่าวไว้ว่า วัตถุที่หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ จะไม่มีแรงกระทำกับวัตถุนั้น แต่ถ้าวัตถุมีการเปลี่ยนความเร็ว หมายถึงว่ามีความเร่งจะเกิดแรงกระทำขึ้นกับวัตถุนั้นทันที

เมื่อรถไฟเหาะเร่งความเร็วขึ้น ท่านจะรู้สึกว่ามีแรงจากพนักพิงดันข้างหลังของท่าน แต่ถ้ารถไฟเหาะลดความเร็วลง หรือเบรกอย่างกระทันหัน ตัวท่านจะพุ่งไปข้างหน้า แต่เนื่องจากท่านยึดกับที่นั่งไว้ ทำให้ท่านไม่หลุดออกจากที่

ความรู้สึกในความเร่็งนี้เป็นความสนุกสนาน โดยทั่วไปเราเปรียบเทียบความเร่งกับค่าความเร่งโน้มถ่วงของโลก (ค่าg)ขนาดของความเร่ง1gมีค่าเท่ากับ ความเร่งโน้มถ่วงวัดบนผิวโลก (9.8 m/s2)

ขณะที่รถไฟเลื่อนขึ้นเนิน หรือพุ่งลง โดยเฉพาะพุ่งลง ตัวของท่านจะรู้สึกเหมือนกับการกระโดดร่มออกจากเครื่องบิน โดยท่านจะรู้สึกตัวเบาขึ้น เหมือนกับไม่มีแรงมากระทำกับตัวท่าน แต่เมื่อรถไฟเหาะพุ่งขึ้น ท่านจะรู้สึกในทางตรงข้ามคือตัวของท่านหนักขึ้น

รถไฟเหาะที่สวนสนุกแห่งหนึ่งในอเมริกา สูง48เมตร ยาว1332เมตร

น้ำหนักที่ท่านรู้สึก ไม่ใช่น้ำหนักจริงบนตัวท่าน แต่เป็นน้ำหนักปรากฎที่เกิดขึ้นในขณะที่รถไฟเหาะกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ผลของความเร่งจะเกิดเป็นแรงที่กระทำบนร่างกายของท่าน เนื่องจากร่างกายของมนุษย์ประกอบด้วยโครงกระดูกหลายชิ้น เชื่อมต่อกันขึ้นมา และมีของเหลวเป็นส่วนประกอบหลักของร่างกาย เมื่อเกิดความเร่งกระทำ ส่วนต่างๆ ย่อมเกิดความเร่งหรือแรงกระทำในทิศทางหรือขนาดที่ไม่เท่ากัน

ยกตัวอย่างเช่น เมื่อรถเร่งขึ้น พนักพิงมีแรงกระทำด้านหลัง กล้ามเนื้อส่วนที่อยู่ด้านหลังก็จะส่งแรงไปด้นอวัยวะภายใน หรือตอนที่่รถไฟเหาะพุ่งลงอย่างรวดเร็ว ท่านจะรู้สึกถึงสภาวะไร้น้ำหนัก กระเพาะของท่านจะรู้สึกว่าเบาขึ้น ซึ่งในสภาวะปกติต้องรับน้ำหนักของอาหารโปรด และน้ำหนักของกระเพาะเอง เมื่อมันเบาขึ้นอย่างทันทีทันใด อาหารที่อยู่ในกระเพาะอาจจะเลื่อนตัวออกมาทางปากของท่านจนหมด ที่เรียกภาษาชาวบ้านว่า อ๊วก ก็เป็นได้

ขณะที่รถไฟเหาะตีลังกาวิ่งเข้าไปในวงลูบ จะเกิดแรงชนิดหนึ่งมีทิศทางในแนวรัศมี เรียกว่าแรงเข้าสู่ศูนย์กลาง เป็นแรงเดียวที่กระทำกับท่านเมื่อท่านนั่งอยู่บนม้าหมุน

วงลูบหยดน้ำตา ตั้งอยู่ในรัฐเวกัส ของสหรัฐอเมริกา

เมื่อรถไฟเหาะหมุนตีลังกาในวงลูบ ท่านอาจจะเกิดคำถามอยู่ในใจว่า ทำไมท่านไม่ร่วงตกลงมา หรือว่ามีตัวยึดท่านไว้ ท่านเลยไม่ตก คำตอบไม่ได้เกี่ยวกับตัวยึด แล้วอย่างนั้นคำตอบคืออะไร?

ขณะที่ท่านอยู่ในสภาพกลับหัว น้ำหนักของตัวท่านจะดึงท่านลงจากที่นั่ง แต่ที่ไม่ร่วงลงมา เพราะมีอีกแรงหนึ่งที่กระทำอยู่ในแนวรัศมี ดันตัวของท่านขึ้นไปข้างบน ติดกับที่นั่ง แรงนี้เกิดจากความเร่ง และมีทิศทางตรงกันข้ามกับความเร่งโน้มถ่วงของโลก ถ้าความเร่งนี้เท่ากับหรือมากกว่าความเร่งโน้มถ่วงของโลก น้ำหนักของท่านจะหายไป อยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักชั่ววูบ เมื่อออกจากวงลูบน้ำหนักก็จะปรากฎขึ้นมาอีกครั้ง

รถไฟเหาะในรูปสร้างขึ้นในปี1990ราคา8ล้านเหรียญ ประมาณ320ล้านบาทเท่านั้น

เราสามารถทดลองจินตนาการดูว่า เมื่อเราอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก และกำลังกลับหัวตีลังกาอยู่ จะมีความรู้สึกเหมือนกับนกหรือไม่อย่างไร ในวงลูบขนาดของแรงที่กระทำขึ้นอยู่กับตัวแปร2ตัว คือ ความเร็วของรถไฟ และมุมของการหมุน

วงลูบสมัยแรกๆ ทำเป็นวงกลม การออกแบบเป็นวงกลมมีข้อดีคือ ออกแบบง่าย แต่ข้อเสียก็มีเช่นเดียวกัน คือ รถไฟเหาะจะมีความเร็วลดลงเมื่อพุ่งขึ้นถึงจุดบนสุด แรงที่กระทำให้ท่านติดกับที่นั่งก็ลดลงตามด้วย และพอออกจากจุดสูงสุด รถไฟเหาะมีความเร็วเพิ่มขึ้น ท่านจะรู้สึกไม่สบาย

วิศวกรหัวใสจึงออกแบบให้วงลูบเป็นรูปหยดน้ำตา เมื่อผู้เล่นพุ่งขึ้นไปบนสุด ด้วยโครงสร้างลักษณะนี้มันจะเพิ่มความเร็วของรถขึ้น และมีแรงดันตัวท่านให้ติดกับที่นั่งได้มากขึ้น พอออกจากจุดยอดของหยดน้ำตา รถไฟเหาะจะมีความเร่งลดลง ทำให้ผู้เล่นไม่อึดอัด เปลี่ยนเป็นความสนุกสนาน และอยากกลับมาเล่นอีกครั้งหนึ่ง เป็นต้น

เชื่อกันว่ารถไฟเหาะ มีจุดเริ่มต้นมาจากเลื่อนน้ำแข็ง ซึ่งเป็นกีฬายอดฮิตของประเทศรัสเซีย ในคริสตวรรษที่16และ17เรียกกีฬานี้ว่า ภูเขาของรัสเซียน โดยผู้เล่นจะเลื่อนตัวลงมาตามทางเลื่อนที่ทำด้วยน้ำแข็งสูงประมาณ21เมตร

รูปกีฬาเลื่อนน้ำแข็งของรัสเซียน

ต่อมาในปี1817ฝรั่งเศสดัดแปลงเป็นตัวรถเลื่อนบนน้ำแข็ง ส่วนที่อเมริการถไฟเหาะเริ่มต้นเมื่อกลางปี คริสตวรรษที่18ขณะนั้นออกแบบเป็นรถไฟขนถ่านหินระยะทางยาว29กิโลเมตร เลื่อนลงจากภูเขา ตอนนั้นใช้สัตว์เช่น ลา และม้าช่วยลาก แต่เมื่อมีการประดิษฐ์รถจักรไอน้ำ จึงเปลี่ยนมาใช้เครื่องจักรนี้แทนสัตว์

เมื่อการใช้ถ่านหินหมดความนิยมลง รถไฟเหล่านี้จึงถูกดัดแปลงมาเป็นรถนำเที่ยวชมวิวบนภูเขา มีการเพิ่มกิจกรรมรื่นเริงต่างๆ ทำให้ทุกๆปีมีนักท่องเที่ยวขึ้นรถไฟหลายพันคน ต่อมาอีก30ปี อเมริกาจึงดัดแปลงรถไฟเหล่านี้เป็นรถไฟเหาะตีลังกาเล่นกันอยู่ในสวนสนุก เป็นที่นิยมกันมาก

พอสงครามโลกครั้งที่2เกิดขึ้น เศรษฐกิจตกต่ำ การผลิตรถไฟเหาะตีลังกาจึงลดลง และมาบูมอีกครั้งในปี1990เพราะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างแบบเหล็ก ทำให้ผู้เล่นรู้สึกมั่นคงและปลอดภัย ยังสนุกเพิ่มขึ้นด้วย

ระหว่างปี 1990 ถึงปี 2000 ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ ทำให้รถไฟเหาะมีลูกเล่นและสนุกมากขึ้น ฟิสิกส์ราชมงคลเชื่อว่า วิศวกรผู้ออกแบบในอนาคตจะสอดใส่ความสนุกสนานอื่น ๆ เข้าไปอีก จนความสนุกสนานไม่มีขอบเขตจำกัด