Warum fühlen sich die Fahrer am unteren Ende des ersten Drops auf einer Achterbahn gezwungen, in ihre Sitze zu sinken?

Der Fahrer fühlt sich "nach unten gezwungen", weil das Objekt, an dem er befestigt ist, nach oben beschleunigt. Da die Beschleunigung der Schwerkraft, der Normalkraft, entgegenwirkt,$\mathbf{F}_{N}$, die auf den Fahrer ausgeübt wird, muss an Größe zunehmen (relativ zu der „in Ruhe“-Größe auf einer horizontalen Bahn), um eine Netto-Aufwärtsbeschleunigung zu erzeugen. Somit ist es die Zunahme in der Größenordnung von$\mathbf{F}_{N}$das bewirkt die Wirkung auf den Fahrer.

Anders ausgedrückt, der Referenzrahmen des Fahrersitzes beschleunigt, und indem der Fahrer beim Sitz bleibt, muss er ebenfalls beschleunigen. Da erlebt der Fahrer meist nur$\mathbf{F}_{g}$während er auf einer ebenen Fläche ruht und diese Fläche plötzlich vertikal in die Luft "springen" würde, würde der Fahrer eine zusätzliche Stärke der Ruhe spüren$\mathbf{F}_{N}$aufgrund der Beschleunigung der Oberfläche. Dies muss wahr sein, da der Fahrer in Bezug auf die Oberfläche selbst nicht beschleunigt, daher muss die von der Oberfläche auf den Fahrer ausgeübte Kraft als Reaktion auf die erhöhte Beschleunigung zunehmen.

Wenn dich die Idee der Achterbahn stört, versuche an eine Schaukel zu denken. Um sich auf einem Kreisbogen zu bewegen, muss die an der Schaukel befestigte Kette/Seil eine Spannkraft ausüben, die nicht ausgeglichen ist, da dies einer kreisförmigen Bewegung entspricht$d\mathbf{v}/dt \neq 0$, dh Beschleunigung.

Randbemerkung
Das Wort zentripetal bezieht sich nicht auf eine Kraft, es ist eine Beschleunigung. Im Fall der Schaukel liefert also die Spannung der Kette/des Seils, die am Sitz befestigt ist, die Kraft, und wir beschreiben das Nettoergebnis der unausgeglichenen Spannungskraft als eine Beschleunigung, die als Zentripetalbeschleunigung bezeichnet wird.

Der Schlüssel ist: Wie wird die Kraft auf den Fahrer ausgeübt? Die Schwerkraft zieht direkt an der Masse des Passagiers, aber was hält den Passagier davon ab, in Richtung Erdmittelpunkt zu fliegen?

Wenn Sie auf dem Beifahrersitz eines Sportwagens sitzen und der Fahrer zu Boden geht, fühlen Sie sich in den Sitz zurückgedrückt. Aber was tatsächlich passiert, ist, dass der Sitz Sie nach vorne drückt. In jedem Fall drückt die Kontaktkraft das Kissen zusammen.

Was hier den Fahrer davon abhält, nach unten zu fahren, ist die Kraft, die von dem nach oben beschleunigenden Achterbahnauto durch den Sitz des Autos bereitgestellt wird. Das Ergebnis ist, dass Sie sich in den Sitz gedrückt fühlen.