冒險者的遊戲：過山車的歷史、物理與心理學_風聞

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世紀就搞出的刺激性活動。冰滑梯用木頭搭建的，木製坡道覆蓋上冰雪。人沿着木台階，爬上相當於現在七八層樓的高度來到滑梯頂部，然後坐在雪橇上，沿着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，俄羅斯把冰滑梯搞得更刺激了。滑梯不再僅僅是一段，而是多段聯合滑梯。依山跨河，在滿目壯美景觀中，從一段滑梯衝下，再衝上下一段滑梯。冰滑梯上白天彩旗招展，晚上火把通明。白天滑不夠，晚上接着滑。

冰滑梯還走入了沙皇的宮廷，王公貴族、達官顯貴也不惜千金之體，犯險求刺激。

俄羅斯的冰滑梯逐漸傳入西歐，設計上也有進步。

“俄羅斯山”，過山車的鼻祖。

1804年，法國巴黎建了一座滑梯，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代過山車的鼻祖。

車滑梯擺脱了自然的束縛，不是冬季也能玩。

“俄羅斯山”不僅刺激，也更危險，傷害事故層出不窮。弔詭的是，在當時這反而更吸引人來玩。

1817年，法國人又做了改進，輪子更結實，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，被認為是史上第一座現代過山車。

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

1846年，巴黎對坡道又做了變化，加上了一個直徑達4米的圓形軌道。

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

19世紀末到一戰這段時間，科技進步，經濟騰飛，沒有大規模戰爭，被稱為歐洲“美好年代”，車滑梯愈加流行。

“貝爾維爾俄羅斯山”

在法語和西班牙語裏，過山車就被稱為“俄羅斯山”。而在俄羅斯，過山車被叫作“美國山”。因為，美國人將過山車發揚光大，又傳回俄羅斯。

1850年代，美國賓夕法尼亞州的一段廢棄的山區鐵路，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、發明家拉瑪庫斯·湯普森（LaMarcus Adna Thompson）很大啓發。湯普森設計了之字形鐵路，並於1884年在紐約康尼島投入商業運營。

真正的過山車，終於面世了。

湯普森的生意很成功，開業一週就收回了全部成本。

拉瑪庫斯·湯普森（LaMarcus Adna Thompson，1848年3月8日——1919年5月8日），美國企業家、發明家，現代過山車之父。

湯普森發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施。

湯普森的成功，吸引模仿者蜂擁而來。康尼島成了過山車的試驗場，創意新穎的、奇形怪狀的、危險作死的，應有盡有。

有人竟然設計出一種大炮過山車，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成功。

環形過山車試驗成功了，但安全性和體驗比較差，商業上不成功，客流量太少而入不敷出。

環形軌道當年不掙錢

對過山車有實質性改進的是湯普森公司的約翰·米勒（John Miller）。他一生有100多項過山車方面的專利，設計和參與設計150多座過山車。

米勒首先大大改善了過山車的安全性，重新設計了各種軌道，讓過山車跑得更快更刺激。米勒被譽為“現代高速過山車之父。”

約翰·米勒(John Mueller 1872年 – 1941年6月24日)，美國過山車設計師、發明家、企業家。

直到1929年大蕭條之前，過山車事業蓬勃發展，，這是過山車的黃金時代，全球建了1500多座過山車。許多過山車設計師掙得了財富，留下了創意。

設計師Harry Traver開始考慮拋棄木製軌道，改用鋼軌道。可是他的設想還沒有大規模鋪開，大蕭條就來了。

之後第二次世界大戰暴發，過山車沒了遊客，只好停止運營，甚至被拆除。

二戰結束之後，美國一片欣欣向榮，普通家庭有錢又有閒。迪士尼洞察到人的需求，開建迪士尼樂園，並在其中建了一座新的過山車。

迪士尼樂園馬特洪過山車，開創鋼軌道過山車紀元。

1959年，加州迪士尼樂園的過山車建成了，整個形式仿瑞士阿爾卑斯山馬特洪峯。其最大的創新在於拋棄了木軌道，採用了鋼軌道。

鋼軌道便於設計更有難度的軌道。此後，各種有創意的軌道不斷出現，過山車更快、更高、更長，不斷自我超越，迎來了全盛時期。

2021年開始運營的北京環球度假區霸天虎過山車

享受加速度

過山車給人享受，第一性原理是人體對變化的力作出響應，刺激人體分泌神經化學物質，如腎上腺素、多巴胺等。

過山車上單位質量的人受到過山車的力，根據牛頓第二定律，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，

。

為遊客安全，過山車相關標準對G力的大小有規定。

G力是矢量，一般在生物力學座標系（Biomechanical coordinate system）裏分解G力。生物力學座標系定義如圖1所示：

圖1 生物力學座標系

圖2 卵形圖為過山車G力各分量最大值。卵形圖內部畫的是某過山車實際值。

國際標準組織（ISO）對過山車G力的安全範圍以卵形圖表示，如圖2所示。

遊客對G力的承受時間也有限制。G=6，持續時間不得超過1秒；G=5，持續時間不得超過2秒。G越小，允許持續的時間就越長。圖3為某過山車的G力記錄，最大G力為4，持續時間低於標準規定的6秒。

圖3 某過山車下降過程中G力隨時間的變化。

相關標準對G力隨時間的變化率（即加速度對時間的導數，叫作急動度。）也有限制。根據ISO標準，加速階段急動度最大為15g/s，減速階段急動度最大為0.8g/s。可以看出，圖3中的過山車滿足這個要求。

當你玩過山車的時候，倒是不必費力去測量加速度，來看過山車是不是符合標準。過山車是特種裝備，國家嚴格監管，可以相信運營中的過山車都是不大可能出現災難性事故的。

你要做的就是感受快感，發出叫喊，享受加速度。

過山車俯衝而下時，你會感到你體內的器官動起來了。

你的身體不是鐵板一塊，加速的時候，身體各個部分分別加速。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動（圖3中G力接近0或-1的時間段），你身體的各部分就不再推來擠去了，分別獨自下落。你會感到你漂浮在你的體內。

你還能對重力與慣性質量的等價性有更直觀的感受。愛因斯坦就是想明白這個事情之後，很快就完成了廣義相對論。

力如果有變化，會感到更刺激。請做好心理準備，上環形軌道。

20世紀早期，環形軌道就是圓形的，在軌道底部，加速度太大，讓人很不舒服，整個過程加速度變化太劇烈，容易將遊客扭傷。現在環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，過山車還可以沿着軌道翻滾，忽而在軌道上方，忽而在軌道下方。

廣州長隆翻滾過山車

過山車心理學

過山車風靡世界，很多遊樂場的過山車常常會有“排隊兩小時，坐車兩分鐘”的盛況。我們人類為什麼喜歡坐過山車？

一個明顯的答案是追求刺激。用心理學術語説，是為了感覺尋求（sensation seeking）。感覺尋求是指個體尋求多變、新異、複雜、強烈的感覺和體驗，並且採取生理、社會、法律、經濟等方面的冒險行為來獲取以上體驗的人格特質。感覺尋求包括四個部分，分別是刺激和冒險尋求、體驗尋求、去抑制性和去敏感性。

直白地説，就是作死。

坐過山車顯然屬於刺激和冒險尋求，與攀巖、潛水、跳傘、死亡自拍等，歸為一類。

過山車靠什麼給人刺激？

直覺的答案是速度，但是心理學家卻發現，速度與感覺尋求直接相關的證據不足，比如飆車黨很多不是感覺尋求，有些是特定情景下冒險行為。

心理學家認為，過山車靠恐懼感帶給人刺激，就像看恐怖片。恐懼使體內葡萄糖水平升高，帶來心跳撲撲、喘氣呼呼、活力滿滿等生理狀況，心理學上稱為“戰鬥或逃跑反應”（fight or flight response）。研究證實，坐過山車可以產生這種反應。

安全環境下，戰鬥或逃跑反應與感覺刺激可共存嗎？

對蹦極研究發現，二者可共存。蹦極新手跳完之後，不僅感覺神清氣爽、極度興奮，血液中的內啡肽水平還升高，這是大腦分泌的一種著名的快樂物質。

蹦極者血液內皮質醇水平也升高，而人在感到有壓力時會分泌更多皮質醇。人能同時感到焦慮和快樂嗎？

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

過山車乘客也會感到積極壓力。荷蘭科學家研究哮喘與壓力與關係時發現，患有哮喘的志願者坐過過山車後，哮喘症狀可減輕。研究者認為，原因在於他們體驗到了積極壓力。

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，個體差異也許可以腦化學來解釋。除了內啡肽，大腦還分泌另一種快樂物質——多巴胺。內啡肽水平高更可能是身體經歷“險境”的自然反應，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。

心理學目前還不能回答人們享受過山車的真正心理原因是什麼。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。

現在的時代，温和、安全，甚至顯得無聊，這其實是人類的幸運。更幸運的是，我們還能花點小錢，在非常安全的環境中，分泌腎上腺素、內啡肽、多巴胺，體驗刺激、快樂和快感。我們的祖先要在警惕或處理危險時才能感受這些激素帶來的體驗。

參考資料

https://en.wikipedia.org/wiki/Roller_coasterhttps://www.britannica.com/topic/roller-coaster#ref910739https://physicsworld.com/a/twists-turns-thrills-and-spills-the-physics-of-rollercoasters/Phys. Educ. 2020，55，065012https://theconversation.com/the-psychology-of-roller-coasters-99166