冒险者的游戏：过山车的历史、物理与心理学
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追求刺激是人类的本能。
过山车的历史
俄罗斯冰滑梯，过山车的前身
过山车的前身是冰滑梯，这是俄罗斯人早在15世纪就搞出的刺激性活动。冰滑梯用木头搭建的，木制坡道覆盖上冰雪。人沿着木台阶，爬上相当于现在七八层楼的高度来到滑梯顶部，然后坐在雪橇上，沿着50度左右的坡，一滑而下。
冰爽刺激，飞一般的感觉。
到了18世纪，俄罗斯把冰滑梯搞得更刺激了。滑梯不再仅仅是一段，而是多段联合滑梯。依山跨河，在满目壮美景观中，从一段滑梯冲下，再冲上下一段滑梯。冰滑梯上白天彩旗招展，晚上火把通明。白天滑不够，晚上接着滑。
冰滑梯还走入了沙皇的宫廷，王公贵族、达官显贵也不惜千金之体，犯险求刺激。
俄罗斯的冰滑梯逐渐传入西欧，设计上也有进步。
“俄罗斯山”，过山车的鼻祖。
1804年，法国巴黎建了一座滑梯，给雪橇加了轮子，命名为“俄罗斯山”（法语名为“Les Montagnes Russes”）。这座车滑梯被视为现代过山车的鼻祖。
车滑梯摆脱了自然的束缚，不是冬季也能玩。
“俄罗斯山”不仅刺激，也更危险，伤害事故层出不穷。吊诡的是，在当时这反而更吸引人来玩。
1817年，法国人又做了改进，轮子更结实，坡上装上了轨道。巴黎这座名叫 “空中漫步”（法语名称“The Promenades-Aériennes”）的滑梯，被认为是史上第一座现代过山车。
1846年，巴黎对坡道又做了变化，加上了一个直径达4米的圆形轨道。
1887年，巴黎贝尔维尔地区建了一座大型车滑梯，由4段8字形轨道组成，长达200米，名为“贝尔维尔俄罗斯山”（法语名：Montagnes Russes de Belleville）。
19世纪末到一战这段时间，科技进步，经济腾飞，没有大规模战争，被称为欧洲“美好年代”，车滑梯愈加流行。
“贝尔维尔俄罗斯山”
在法语和西班牙语里，过山车就被称为“俄罗斯山”。而在俄罗斯，过山车被叫作“美国山”。因为，美国人将过山车发扬光大，又传回俄罗斯。
1850年代，美国宾夕法尼亚州的一段废弃的山区铁路，被人用来寻求刺激。坐在车上，顺轨道而下。这种娱乐人们称为“重力铁路”（Gravity railroad）。
重力铁路
重力铁路给了商人、发明家拉玛库斯·汤普森（LaMarcus Adna Thompson）很大启发。汤普森设计了之字形铁路，并于1884年在纽约康尼岛投入商业运营。
真正的过山车，终于面世了。
汤普森的生意很成功，开业一周就收回了全部成本。
拉玛库斯·汤普森（LaMarcus Adna Thompson，1848年3月8日——1919年5月8日），美国企业家、发明家，现代过山车之父。
汤普森发明的之字形铁路示意图
1884年，纽约康尼岛之字形铁路娱乐设施。
汤普森的成功，吸引模仿者蜂拥而来。康尼岛成了过山车的试验场，创意新颖的、奇形怪状的、危险作死的，应有尽有。
有人竟然设计出一种大炮过山车，车体用大炮打出来，飞行一段距离，落到另一段轨道上。但这种过山车最终没能试验成功。
环形过山车试验成功了，但安全性和体验比较差，商业上不成功，客流量太少而入不敷出。
环形轨道当年不挣钱
对过山车有实质性改进的是汤普森公司的约翰·米勒（John Miller）。他一生有100多项过山车方面的专利，设计和参与设计150多座过山车。
米勒首先大大改善了过山车的安全性，重新设计了各种轨道，让过山车跑得更快更刺激。米勒被誉为“现代高速过山车之父。”
约翰·米勒(John Mueller 1872年 – 1941年6月24日)，美国过山车设计师、发明家、企业家。
直到1929年大萧条之前，过山车事业蓬勃发展，，这是过山车的黄金时代，全球建了1500多座过山车。许多过山车设计师挣得了财富，留下了创意。
设计师Harry Traver开始考虑抛弃木制轨道，改用钢轨道。可是他的设想还没有大规模铺开，大萧条就来了。
之后第二次世界大战暴发，过山车没了游客，只好停止运营，甚至被拆除。
二战结束之后，美国一片欣欣向荣，普通家庭有钱又有闲。迪士尼洞察到人的需求，开建迪士尼乐园，并在其中建了一座新的过山车。
迪士尼乐园马特洪过山车，开创钢轨道过山车纪元。
1959年，加州迪士尼乐园的过山车建成了，整个形式仿瑞士阿尔卑斯山马特洪峰。其最大的创新在于抛弃了木轨道，采用了钢轨道。
钢轨道便于设计更有难度的轨道。此后，各种有创意的轨道不断出现，过山车更快、更高、更长，不断自我超越，迎来了全盛时期。
2021年开始运营的北京环球度假区霸天虎过山车
享受加速度
过山车给人享受，第一性原理是人体对变化的力作出响应，刺激人体分泌神经化学物质，如肾上腺素、多巴胺等。
过山车上单位质量的人受到过山车的力，根据牛顿第二定律，为总加速度减去重力加速度，再除以重力加速度大小，叫作G力，
为游客安全，过山车相关标准对G力的大小有规定。
G力是矢量，一般在生物力学坐标系（Biomechanical coordinate system）里分解G力。生物力学坐标系定义如图1所示：
图1 生物力学坐标系
图2 卵形图为过山车G力各分量最大值。卵形图内部画的是某过山车实际值。
国际标准组织（ISO）对过山车G力的安全范围以卵形图表示，如图2所示。
游客对G力的承受时间也有限制。G=6，持续时间不得超过1秒；G=5，持续时间不得超过2秒。G越小，允许持续的时间就越长。图3为某过山车的G力记录，最大G力为4，持续时间低于标准规定的6秒。
图3 某过山车下降过程中G力随时间的变化。
相关标准对G力随时间的变化率（即加速度对时间的导数，叫作急动度。）也有限制。根据ISO标准，加速阶段急动度最大为15g/s，减速阶段急动度最大为0.8g/s。可以看出，图3中的过山车满足这个要求。
当你玩过山车的时候，倒是不必费力去测量加速度，来看过山车是不是符合标准。过山车是特种装备，国家严格监管，可以相信运营中的过山车都是不大可能出现灾难性事故的。
你要做的就是感受快感，发出叫喊，享受加速度。
过山车俯冲而下时，你会感到你体内的器官动起来了。
你的身体不是铁板一块，加速的时候，身体各个部分分别加速。座椅推你的背，背部的肌肉推你的器官，这些器官又推其前面的器官。
如果你做自由落体运动（图3中G力接近0或-1的时间段），你身体的各部分就不再推来挤去了，分别独自下落。你会感到你漂浮在你的体内。
你还能对重力与惯性质量的等价性有更直观的感受。爱因斯坦就是想明白这个事情之后，很快就完成了广义相对论。
力如果有变化，会感到更刺激。请做好心理准备，上环形轨道。
20世纪早期，环形轨道就是圆形的，在轨道底部，加速度太大，让人很不舒服，整个过程加速度变化太剧烈，容易将游客扭伤。现在环形轨道一般不再是正圆形的，而是泪滴形，曲率下大上小，降低加速度变化率。
更刺激的是，过山车还可以沿着轨道翻滚，忽而在轨道上方，忽而在轨道下方。
广州长隆翻滚过山车
过山车心理学
过山车风靡世界，很多游乐场的过山车常常会有“排队两小时，坐车两分钟”的盛况。我们人类为什么喜欢坐过山车？
一个明显的答案是追求刺激。用心理学术语说，是为了感觉寻求（sensation seeking）。感觉寻求是指个体寻求多变、新异、复杂、强烈的感觉和体验，并且采取生理、社会、法律、经济等方面的冒险行为来获取以上体验的人格特质。感觉寻求包括四个部分，分别是刺激和冒险寻求、体验寻求、去抑制性和去敏感性。
直白地说，就是作死。
坐过山车显然属于刺激和冒险寻求，与攀岩、潜水、跳伞、死亡自拍等，归为一类。
过山车靠什么给人刺激？
直觉的答案是速度，但是心理学家却发现，速度与感觉寻求直接相关的证据不足，比如飙车党很多不是感觉寻求，有些是特定情景下冒险行为。
心理学家认为，过山车靠恐惧感带给人刺激，就像看恐怖片。恐惧使体内葡萄糖水平升高，带来心跳扑扑、喘气呼呼、活力满满等生理状况，心理学上称为“战斗或逃跑反应”（fight or flight response）。研究证实，坐过山车可以产生这种反应。
安全环境下，战斗或逃跑反应与感觉刺激可共存吗？
对蹦极研究发现，二者可共存。蹦极新手跳完之后，不仅感觉神清气爽、极度兴奋，血液中的内啡肽水平还升高，这是大脑分泌的一种著名的快乐物质。
蹦极者血液内皮质醇水平也升高，而人在感到有压力时会分泌更多皮质醇。人能同时感到焦虑和快乐吗？
答案是，人的压力不都是坏的，好的压力叫做积极压力（Eustress，也叫良性应激）。
过山车乘客也会感到积极压力。荷兰科学家研究哮喘与压力与关系时发现，患有哮喘的志愿者坐过过山车后，哮喘症状可减轻。研究者认为，原因在于他们体验到了积极压力。
不知道，坐过山车能不能成为哮喘病的一种疗法，两圈一疗程？
过山车也不是人人都爱坐，个体差异也许可以脑化学来解释。除了内啡肽，大脑还分泌另一种快乐物质——多巴胺。内啡肽水平高更可能是身体经历“险境”的自然反应，而多巴胺水平高的人更可能去寻求刺激，如坐过山车、吸毒、行窃等。
心理学目前还不能回答人们享受过山车的真正心理原因是什么。也许本来就没有单一原因，而是高速激情、克服恐惧、生理刺激等多因素的综合效果。
现在的时代，温和、安全，甚至显得无聊，这其实是人类的幸运。更幸运的是，我们还能花点小钱，在非常安全的环境中，分泌肾上腺素、内啡肽、多巴胺，体验刺激、快乐和快感。我们的祖先要在警惕或处理危险时才能感受这些激素带来的体验。
参考资料
https://en.wikipedia.org/wiki/Roller_coaster
https://www.britannica.com/topic/roller-coaster#ref910739
https://physicsworld.com/a/twists-turns-thrills-and-spills-the-physics-of-rollercoasters/
Phys. Educ. 2020，55，065012
https://theconversation.com/the-psychology-of-roller-coasters-99166
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