נסיעה בלי מנוע
אחרי שהשרשרת של רכבת ההרים גררה אותה לראש הגבעה הראשונה, שום דבר כבר לא דוחף אותה. כל ירידה, טיפוס ולולאה שבאים אחר כך ממומנים מהעלייה האחת הזאת. רכבת ההרים מוציאה משהו שהיא אספה בדרך למעלה, והשם של המשהו הזה הוא אנרגיה.
נאגרת בגובה, מתגלה במהירות
לקרון שנמצא בראש גבעה יש אנרגיה פוטנציאלית: אנרגיה שאגורה בו בזכות המיקום שלו, ומוכנה להשתחרר כשהוא נופל. היא שווה למשקל הקרון כפול הגובה שלו, mgh. קרון של 500 kg בגובה 15 מטר אוצר בערך 74,000 ג’ול (ג’ול הוא בערך האנרגיה שדרושה כדי להרים תפוח לגובה של מטר).
כשהקרון יורד, הגובה הופך למהירות. לגופים בתנועה יש אנרגיה קינטית, ששווה ל־½mv². מכיוון שהמהירות מופיעה בריבוע, כדי להכפיל את המהירות צריך פי ארבעה אנרגיה. בתחתית ירידה של 15 מטר, אילו שום דבר לא היה הולך לאיבוד, הקרון היה נוסע בכ־17 מטרים לשנייה, קצת יותר מ־60 קילומטרים לשעה.
בעלייה הבאה ההמרה פועלת בכיוון ההפוך: הקרון מאט כשהוא מטפס, והמהירות חוזרת להיות גובה.
הסכום נשאר קבוע
בחרו פועל תחת הצגת האנרגיה, ויופיעו ארבעה עמודים: אנרגיה פוטנציאלית, אנרגיה קינטית, חום, והסכום שלהם. בזמן שהקרון נוסע, שלושת הראשונים מתחלפים ביניהם, אבל הסכום נשאר באותו גובה. זהו חוק שימור האנרגיה: אנרגיה אף פעם לא נוצרת ולא נעלמת, היא רק עוברת מצורה אחת לאחרת.
עמוד החום גדל לאט, כשההתנגדות לגלגול מחממת את הגלגלים ואת המסילות, ואז בבת אחת בבלמים, שם האנרגיה הקינטית שנשארה לקרון הופכת לחום בסנפירי הבלימה.
להשלים את הלולאה
בראש הלולאה הקרון הפוך. הוא נשאר על המסילה רק אם הוא נע מהר מספיק, כך שהמסילה צריכה ללחוץ עליו כדי שימשיך להתעקם. אם הוא איטי מדי, הכובד לבדו מעקם את המסלול שלו חד יותר מהלולאה, והוא ניתק מהמסילה ונופל.
הלולאה הזאת היא בצורת טיפה, בגובה 10 מטר. הצדדים שלה מתחילים כמעט ישרים ומתעקמים חד יותר ויותר ככל שהם עולים, ומעל הראש המסילה מתעקמת סביב מעגל ברדיוס 4.2 מטר. הקרון צריך להגיע לראש מהר מספיק בשביל העיקול החד הזה. כששום דבר לא הולך לאיבוד בחיכוך, הוא צריך לצאת מגובה של בערך 12.1 מטר; עם ההתנגדות הקטנה לגלגול של רכבת ההרים הזאת הוא צריך קצת יותר, בערך 12.8 מטר. התחילו מתחת לבערך 6.2 מטר, והקרון אף פעם לא יעבור את הנקודה שבה הלולאה זקופה; הוא פשוט יתגלגל חזרה.
לולאה מעגלית באותו גובה של 10 מטר הייתה דורשת יותר: פי שניים וחצי מהרדיוס שלה, 5 מטר, כלומר 12.5 מטר בלי חיכוך.
נסו: קבעו את גובה התחלתי על 4, אחר כך על 10 ואחר כך על 13.5 מטרים: הקרון מתגלגל חזרה, נופל מהמסילה, ואז בדיוק משלים את הלולאה. אחר כך שנו את מסת הקרון, ושימו לב שעמודי האנרגיה גדלים ומתכווצים, בזמן שהמהירות של הקרון נשארת בדיוק אותו דבר.
המסה מתבטלת, כי שתי צורות האנרגיה פרופורציונליות לה: לקרון כבד יותר יש יותר אנרגיה להוציא, אבל הוא גם צריך יותר אנרגיה על כל מטר לשנייה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
לקרון הזה אין גלגלי נעילה. לקרון של רכבת הרים אמיתית יש גלגל מתחת לכל מסילה, נוסף על הגלגלים שמעליה ולצידה, והוא מחזיק את הקרון על המסלול, כך שקרון איטי נעצר ומתגלגל חזרה במקום ליפול. המודל משאיר את הגלגלים האלה בחוץ, כדי שתוכלו לראות מה המסילה לבדה יכולה לעשות: לדחוף, אבל אף פעם לא למשוך.
לולאות אמיתיות הן בצורת טיפה, כמו הלולאה הזאת, בשביל הנוסעים. קרון שבקושי משלים לולאה מעגלית היה לוחץ את הנוסעים אל המושבים בתחתית בכוח של פי שישה ממשקלם. הצדדים המתונים של הטיפה מעבירים את הקרון המהיר שבתחתית בעיקול רחב, והראש הצר שלה מסובב מהר את הקרון האיטי, כך שהדחיפה שהנוסעים מרגישים נשארת אחידה הרבה יותר.
המודל גם מתעלם מהתנגדות האוויר ומהאנרגיה שהולכת לסיבוב הגלגלים, ומתייחס להתנגדות לגלגול ככוח גרר קבוע.