冒險(xiǎn)者的游戲：過山車的歷史、物理與心理學(xué)

追求刺激是人類的本能。

撰文 | 瞿立建

過山車的歷史

俄羅斯冰滑梯，過山車的前身

過山車的前身是冰滑梯，這是俄羅斯人早在15世紀(jì)就搞出的刺激性活動(dòng)。冰滑梯用木頭搭建的，木制坡道覆蓋上冰雪。人沿著木臺(tái)階，爬上相當(dāng)于現(xiàn)在七八層樓的高度來到滑梯頂部，然后坐在雪橇上，沿著50度左右的坡，一滑而下。

冰爽刺激，飛一般的感覺。

到了18世紀(jì)，俄羅斯把冰滑梯搞得更刺激了?；莶辉賰H僅是一段，而是多段聯(lián)合滑梯。依山跨河，在滿目壯美景觀中，從一段滑梯沖下，再?zèng)_上下一段滑梯。冰滑梯上白天彩旗招展，晚上火把通明。白天滑不夠，晚上接著滑。

冰滑梯還走入了沙皇的宮廷，王公貴族、達(dá)官顯貴也不惜千金之體，犯險(xiǎn)求刺激。

俄羅斯的冰滑梯逐漸傳入西歐，設(shè)計(jì)上也有進(jìn)步。

“俄羅斯山”，過山車的鼻祖。

1804年，法國(guó)巴黎建了一座滑梯，給雪橇加了輪子，命名為“俄羅斯山”（法語名為“Les Montagnes Russes”）。這座車滑梯被視為現(xiàn)代過山車的鼻祖。

車滑梯擺脫了自然的束縛，不是冬季也能玩。

“俄羅斯山”不僅刺激，也更危險(xiǎn)，傷害事故層出不窮。吊詭的是，在當(dāng)時(shí)這反而更吸引人來玩。

1817年，法國(guó)人又做了改進(jìn)，輪子更結(jié)實(shí)，坡上裝上了軌道。巴黎這座名叫 “空中漫步”（法語名稱“The Promenades-Aériennes”）的滑梯，被認(rèn)為是史上第一座現(xiàn)代過山車。

“空中漫步”（法語名稱“The Promenades-Aériennes”），第一座現(xiàn)代過山車。

1846年，巴黎對(duì)坡道又做了變化，加上了一個(gè)直徑達(dá)4米的圓形軌道。

1887年，巴黎貝爾維爾地區(qū)建了一座大型車滑梯，由4段8字形軌道組成，長(zhǎng)達(dá)200米，名為“貝爾維爾俄羅斯山”（法語名：Montagnes Russes de Belleville）。

19世紀(jì)末到一戰(zhàn)這段時(shí)間，科技進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)騰飛，沒有大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)，被稱為歐洲“美好年代”，車滑梯愈加流行。

“貝爾維爾俄羅斯山”

在法語和西班牙語里，過山車就被稱為“俄羅斯山”。而在俄羅斯，過山車被叫作“美國(guó)山”。因?yàn)?，美?guó)人將過山車發(fā)揚(yáng)光大，又傳回俄羅斯。

1850年代，美國(guó)賓夕法尼亞州的一段廢棄的山區(qū)鐵路，被人用來尋求刺激。坐在車上，順軌道而下。這種娛樂人們稱為“重力鐵路”（Gravity railroad）。

重力鐵路

重力鐵路給了商人、發(fā)明家拉瑪庫斯·湯普森（LaMarcus Adna Thompson）很大啟發(fā)。湯普森設(shè)計(jì)了之字形鐵路，并于1884年在紐約康尼島投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

真正的過山車，終于面世了。

湯普森的生意很成功，開業(yè)一周就收回了全部成本。

拉瑪庫斯·湯普森（LaMarcus Adna Thompson，1848年3月8日——1919年5月8日），美國(guó)企業(yè)家、發(fā)明家，現(xiàn)代過山車之父。

湯普森發(fā)明的之字形鐵路示意圖

1884年，紐約康尼島之字形鐵路娛樂設(shè)施。

湯普森的成功，吸引模仿者蜂擁而來?？的釐u成了過山車的試驗(yàn)場(chǎng)，創(chuàng)意新穎的、奇形怪狀的、危險(xiǎn)作死的，應(yīng)有盡有。

有人竟然設(shè)計(jì)出一種大炮過山車，車體用大炮打出來，飛行一段距離，落到另一段軌道上。但這種過山車最終沒能試驗(yàn)成功。

環(huán)形過山車試驗(yàn)成功了，但安全性和體驗(yàn)比較差，商業(yè)上不成功，客流量太少而入不敷出。

環(huán)形軌道當(dāng)年不掙錢

對(duì)過山車有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)的是湯普森公司的約翰·米勒（John Miller）。他一生有100多項(xiàng)過山車方面的專利，設(shè)計(jì)和參與設(shè)計(jì)150多座過山車。

米勒首先大大改善了過山車的安全性，重新設(shè)計(jì)了各種軌道，讓過山車跑得更快更刺激。米勒被譽(yù)為“現(xiàn)代高速過山車之父?！?/p>

約翰·米勒(John Mueller 1872年 – 1941年6月24日)，美國(guó)過山車設(shè)計(jì)師、發(fā)明家、企業(yè)家。

直到1929年大蕭條之前，過山車事業(yè)蓬勃發(fā)展，，這是過山車的黃金時(shí)代，全球建了1500多座過山車。許多過山車設(shè)計(jì)師掙得了財(cái)富，留下了創(chuàng)意。

設(shè)計(jì)師Harry Traver開始考慮拋棄木制軌道，改用鋼軌道?？墒撬脑O(shè)想還沒有大規(guī)模鋪開，大蕭條就來了。

之后第二次世界大戰(zhàn)暴發(fā)，過山車沒了游客，只好停止運(yùn)營(yíng)，甚至被拆除。

二戰(zhàn)結(jié)束之后，美國(guó)一片欣欣向榮，普通家庭有錢又有閑。迪士尼洞察到人的需求，開建迪士尼樂園，并在其中建了一座新的過山車。

迪士尼樂園馬特洪過山車，開創(chuàng)鋼軌道過山車紀(jì)元。

1959年，加州迪士尼樂園的過山車建成了，整個(gè)形式仿瑞士阿爾卑斯山馬特洪峰。其最大的創(chuàng)新在于拋棄了木軌道，采用了鋼軌道。

鋼軌道便于設(shè)計(jì)更有難度的軌道。此后，各種有創(chuàng)意的軌道不斷出現(xiàn)，過山車更快、更高、更長(zhǎng)，不斷自我超越，迎來了全盛時(shí)期。

2021年開始運(yùn)營(yíng)的北京環(huán)球度假區(qū)霸天虎過山車

享受加速度

過山車給人享受，第一性原理是人體對(duì)變化的力作出響應(yīng)，刺激人體分泌神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，如腎上腺素、多巴胺等。

過山車上單位質(zhì)量的人受到過山車的力，根據(jù)牛頓第二定律，為總加速度減去重力加速度，再除以重力加速度大小，叫作G力，

。

為游客安全，過山車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)G力的大小有規(guī)定。

G力是矢量，一般在生物力學(xué)坐標(biāo)系（Biomechanical coordinate system）里分解G力。生物力學(xué)坐標(biāo)系定義如圖1所示：

圖1 生物力學(xué)坐標(biāo)系

圖2 卵形圖為過山車G力各分量最大值。卵形圖內(nèi)部畫的是某過山車實(shí)際值。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）對(duì)過山車G力的安全范圍以卵形圖表示，如圖2所示。

游客對(duì)G力的承受時(shí)間也有限制。G=6，持續(xù)時(shí)間不得超過1秒；G=5，持續(xù)時(shí)間不得超過2秒。G越小，允許持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)。圖3為某過山車的G力記錄，最大G力為4，持續(xù)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6秒。

圖3 某過山車下降過程中G力隨時(shí)間的變化。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)G力隨時(shí)間的變化率（即加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，叫作急動(dòng)度。）也有限制。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，加速階段急動(dòng)度最大為15g/s，減速階段急動(dòng)度最大為0.8g/s?？梢钥闯觯瑘D3中的過山車滿足這個(gè)要求。

當(dāng)你玩過山車的時(shí)候，倒是不必費(fèi)力去測(cè)量加速度，來看過山車是不是符合標(biāo)準(zhǔn)。過山車是特種裝備，國(guó)家嚴(yán)格監(jiān)管，可以相信運(yùn)營(yíng)中的過山車都是不大可能出現(xiàn)災(zāi)難性事故的。

你要做的就是感受快感，發(fā)出叫喊，享受加速度。

過山車俯沖而下時(shí)，你會(huì)感到你體內(nèi)的器官動(dòng)起來了。

你的身體不是鐵板一塊，加速的時(shí)候，身體各個(gè)部分分別加速。座椅推你的背，背部的肌肉推你的器官，這些器官又推其前面的器官。

如果你做自由落體運(yùn)動(dòng)（圖3中G力接近0或-1的時(shí)間段），你身體的各部分就不再推來擠去了，分別獨(dú)自下落。你會(huì)感到你漂浮在你的體內(nèi)。

你還能對(duì)重力與慣性質(zhì)量的等價(jià)性有更直觀的感受。愛因斯坦就是想明白這個(gè)事情之后，很快就完成了廣義相對(duì)論。

力如果有變化，會(huì)感到更刺激。請(qǐng)做好心理準(zhǔn)備，上環(huán)形軌道。

20世紀(jì)早期，環(huán)形軌道就是圓形的，在軌道底部，加速度太大，讓人很不舒服，整個(gè)過程加速度變化太劇烈，容易將游客扭傷。現(xiàn)在環(huán)形軌道一般不再是正圓形的，而是淚滴形，曲率下大上小，降低加速度變化率。

更刺激的是，過山車還可以沿著軌道翻滾，忽而在軌道上方，忽而在軌道下方。

廣州長(zhǎng)隆翻滾過山車

過山車心理學(xué)

過山車風(fēng)靡世界，很多游樂場(chǎng)的過山車常常會(huì)有“排隊(duì)兩小時(shí)，坐車兩分鐘”的盛況。我們?nèi)祟悶槭裁聪矚g坐過山車？

一個(gè)明顯的答案是追求刺激。用心理學(xué)術(shù)語說，是為了感覺尋求（sensation seeking）。感覺尋求是指?jìng)€(gè)體尋求多變、新異、復(fù)雜、強(qiáng)烈的感覺和體驗(yàn)，并且采取生理、社會(huì)、法律、經(jīng)濟(jì)等方面的冒險(xiǎn)行為來獲取以上體驗(yàn)的人格特質(zhì)。感覺尋求包括四個(gè)部分，分別是刺激和冒險(xiǎn)尋求、體驗(yàn)尋求、去抑制性和去敏感性。

直白地說，就是作死。

坐過山車顯然屬于刺激和冒險(xiǎn)尋求，與攀巖、潛水、跳傘、死亡自拍等，歸為一類。

過山車靠什么給人刺激？

直覺的答案是速度，但是心理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，速度與感覺尋求直接相關(guān)的證據(jù)不足，比如飆車黨很多不是感覺尋求，有些是特定情景下冒險(xiǎn)行為。

心理學(xué)家認(rèn)為，過山車靠恐懼感帶給人刺激，就像看恐怖片?？謶质贵w內(nèi)葡萄糖水平升高，帶來心跳撲撲、喘氣呼呼、活力滿滿等生理狀況，心理學(xué)上稱為“戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)”（fight or flight response）。研究證實(shí)，坐過山車可以產(chǎn)生這種反應(yīng)。

安全環(huán)境下，戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)與感覺刺激可共存嗎？

對(duì)蹦極研究發(fā)現(xiàn)，二者可共存。蹦極新手跳完之后，不僅感覺神清氣爽、極度興奮，血液中的內(nèi)啡肽水平還升高，這是大腦分泌的一種著名的快樂物質(zhì)。

蹦極者血液內(nèi)皮質(zhì)醇水平也升高，而人在感到有壓力時(shí)會(huì)分泌更多皮質(zhì)醇。人能同時(shí)感到焦慮和快樂嗎？

答案是，人的壓力不都是壞的，好的壓力叫做積極壓力（Eustress，也叫良性應(yīng)激）。

過山車乘客也會(huì)感到積極壓力。荷蘭科學(xué)家研究哮喘與壓力與關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，患有哮喘的志愿者坐過過山車后，哮喘癥狀可減輕。研究者認(rèn)為，原因在于他們體驗(yàn)到了積極壓力。

不知道，坐過山車能不能成為哮喘病的一種療法，兩圈一療程？

過山車也不是人人都愛坐，個(gè)體差異也許可以腦化學(xué)來解釋。除了內(nèi)啡肽，大腦還分泌另一種快樂物質(zhì)——多巴胺。內(nèi)啡肽水平高更可能是身體經(jīng)歷“險(xiǎn)境”的自然反應(yīng)，而多巴胺水平高的人更可能去尋求刺激，如坐過山車、吸毒、行竊等。

心理學(xué)目前還不能回答人們享受過山車的真正心理原因是什么。也許本來就沒有單一原因，而是高速激情、克服恐懼、生理刺激等多因素的綜合效果。

現(xiàn)在的時(shí)代，溫和、安全，甚至顯得無聊，這其實(shí)是人類的幸運(yùn)。更幸運(yùn)的是，我們還能花點(diǎn)小錢，在非常安全的環(huán)境中，分泌腎上腺素、內(nèi)啡肽、多巴胺，體驗(yàn)刺激、快樂和快感。我們的祖先要在警惕或處理危險(xiǎn)時(shí)才能感受這些激素帶來的體驗(yàn)。

參考資料

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