День американских горок: как вагонетка на рельсах превратилась в сложный инженерный аттракцион

Почему День американских горок отмечают 16 августа

У даты есть вполне конкретная историческая привязка. 16 августа 1898 года американский изобретатель Эдвин Прескотт получил патент US609164A на конструкцию roller-coaster с вертикальной петлей. В оригинальном патенте Прескотта описаны крутые уклоны, вертикальная петля, движение вагона в перевернутом положении и дополнительные элементы, которые должны были удерживать его на рельсах. Заявку изобретатель подал еще 11 октября 1897 года.

Именно с датой выдачи этого патента связывают National Roller Coaster Day. Американская организация American Coaster Enthusiasts отмечает праздник 16 августа, а Coney Island History Project прямо указывает на связь даты с патентом Прескотта.

Здесь есть тонкость, из-за которой в популярных публикациях появляется историческая ошибка. Прескотт не изобрел американские горки 16 августа 1898 года. Более того, его патент не был первым патентом на такой аттракцион. Немецкое патентное ведомство DPMA приводит более ранние разработки Джона Тейлора и Ламаркуса Томпсона. Тейлор получил американский патент на "inclined railway" еще в 1872 году, а Томпсон запатентовал свою конструкцию в январе 1885-го.

Патент Прескотта интересен именно развитием идеи вертикальной петли. Поэтому 16 августа правильнее считать памятной датой в истории американских горок, а не днем их изобретения.

Фото: A. Loeffler. Источник: Library of Congress / Wikimedia Commons. Изображение находится в общественном достоянии в США.

До парков развлечений была железная дорога

История американских горок началась намного раньше Кони-Айленда. В качестве одного из предшественников часто упоминают русские ледяные горы, распространенные в XVII и XVIII веках. Однако гораздо интереснее промежуточный этап, когда развлекательный аттракцион вырос из вполне утилитарной транспортной системы.

Mauch Chunk Switchback Railway в Пенсильвании построили в 1820-х годах для перевозки угля. Загруженные вагоны спускались под действием силы тяжести. Позже по железной дороге начали возить пассажиров, причем уже ради самой поездки. Hagley Museum and Library указывает, что дорогу построили в 1828 году, а людей на ней возили еще раньше, когда транспортная система только развивалась.

В 1884 году Ламаркус Адни Томпсон открыл Switchback Railway на Кони-Айленде. Библиотека Конгресса указывает скорость около 6 миль в час, примерно 9,7 км/ч. По современным меркам это скорость бодрого велосипедиста, но принцип будущих американских горок уже просматривается: вагон получает запас потенциальной энергии на высоте, а затем сила тяжести превращает ее в скорость.

Ранние конструкции имели мало общего с огромными замкнутыми трассами сегодняшних парков. Например, вагон Switchback Railway проходил участок пути, после чего его переводили на обратную ветку. Однако коммерческий успех показал, что люди готовы платить именно за короткое переживание скорости, высоты и потери привычной устойчивости.

Петля оказалась сложнее, чем выглядит

Инженерная проблема первых looping coasters хорошо заметна на старых фотографиях. Петли делали почти круглыми. Для пассажира такая форма создавала очень резкое изменение кривизны при входе в элемент, а значит, быстро менялась и действующая на него нагрузка.

Библиотека Конгресса относит Flip Flap Railway Лины Бичера к первым американским горкам с петлей в Северной Америке. Аттракцион появился на Кони-Айленде в конце XIX века. Именно особенности его конструкции сегодня используются как наглядный пример того, почему геометрия трассы напрямую связана с перегрузками.

Современные петли обычно заметно отличаются от идеальной окружности. Изменение кривизны происходит постепенно, чтобы управлять ускорением и переходом между нагрузками.

Это хороший пример того, как изменилось проектирование американских горок. Конструктору недостаточно добиться того, чтобы поезд физически прошел элемент трассы. Надо определить, какие силы будет испытывать пассажир на каждом участке и насколько быстро они будут меняться.

Современную трассу сначала строят внутри компьютера

Принцип сохранения энергии по-прежнему определяет движение классической гравитационной горки. Поезд поднимается на первую высокую точку, после чего потенциальная энергия постепенно превращается в кинетическую. Часть энергии теряется из-за сопротивления качению и воздуха, поэтому без дополнительного разгона следующие подъемы не могут бесконечно оставаться такими же высокими.

Но реальный инженерный расчет намного сложнее школьной задачи.

Производитель аттракционов Vekoma описывает собственный процесс проектирования как работу с динамическими многотельными моделями. Еще при создании геометрии трассы инженеры рассчитывают кривизну, силы и переходы между ними в виртуальном трехмерном пространстве. Затем модель усложняется: отдельно анализируется динамика самого поезда и его механических узлов.

Получается интересный переворот относительно ранних конструкций. Раньше инженеру приходилось сначала задавать форму пути и оценивать, что на ней произойдет. Современный подход позволяет отталкиваться от требуемой скорости и характера нагрузок, а геометрию трассы получать уже из этих условий. Представитель Vekoma Анне-Март Агербек описывал именно такой переход в интервью IAAPA в 2025 году.

Это касается и безопасности. Отдельно рассчитываются колесные тележки, несущие конструкции, тормозные зоны, блок-секции, механизмы фиксации пассажиров и сценарии отказов. Международная индустрия использует стандарты ASTM F24, охватывающие проектирование, испытания, эксплуатацию и обслуживание аттракционов. IAAPA также выделяет контроль конструкции и технологий в отдельное направление безопасности.

Фото: Christopher Down. Источник: Wikimedia Commons. Автор разрешает использование изображения при указании авторства.

Стальной рельс дал конструкторам больше свободы

Переход от дерева к стали не уничтожил деревянные американские горки. Их строят и сейчас. Но стальные трассы позволяют заметно свободнее работать с пространственной геометрией.

На современной трассе поезд может переворачиваться вокруг нескольких осей, проходить отрицательные углы наклона, двигаться под рельсом или располагать пассажиров по сторонам от него. Конструкция вагона тоже давно перестала быть обязательной тележкой с сиденьями сверху.

Производители предлагают inverted coasters с поездом под трассой, flying coasters с другим положением тела, spinning coasters с вращающимися вагонами. Gerstlauer указывает для своих серий вертикальные ускорения вплоть до диапазона примерно от -0,9 до 4,5 g в зависимости от конкретной конфигурации. Эти цифры относятся к проектным вариантам производителя и не являются универсальными значениями для всех горок.

Меняется и способ получения скорости. Цепной подъем все еще применяется, но современные launch coasters могут использовать линейные синхронные двигатели. MACK Rides, например, использует несколько LSM-разгонов на Voltron Nevera. Gerstlauer сочетает LSM с вертикальными подъемниками, а Premier Rides специализируется на магнитных launch coasters.

Для конструктора это означает, что профиль трассы больше не обязан зависеть от одного большого первого подъема. Поезд можно снова ускорить в середине маршрута, остановить, отправить назад или пропустить через управляемый участок пути.

Почему мы платим за страх, которого можно избежать

С инженерной стороны американские горки стараются сделать контролируемыми. Для пассажира их задача почти противоположна: создать достаточно убедительное ощущение потери контроля.

Человек видит высоту, быстро приближающуюся землю и резкое изменение горизонта. Тело регистрирует ускорения. До начала спуска пассажир еще и успевает представить, что сейчас произойдет.

Исследования реакции на потенциальную угрозу показывают, что страх и удовольствие способны сосуществовать. В научном обзоре Threat or thrill? поездка на американских горках используется как один из примеров ситуации, где признаки потенциальной угрозы могут восприниматься как приятное возбуждение. На реакцию влияют индивидуальные различия, включая sensation seeking, склонность искать новые и интенсивные ощущения.

Однако формула "страх вызывает выброс адреналина, поэтому людям нравится" слишком примитивна. Исследования recreational fear показывают связь удовольствия с уровнем возбуждения: слишком слабое переживание может оказаться скучным, чрезмерное уже перестает быть развлечением. Страх и thrill при этом нельзя считать одним и тем же состоянием.

У американской горки есть еще одна особенность. Большинство пассажиров знают, что дальнейшее движение заранее определено. Нельзя случайно свернуть на другую дорогу или решить остановиться перед спуском. Парадоксально, но именно этот внешний контроль дает возможность пережить субъективную потерю контроля в относительно предсказуемой ситуации.

Разница между людьми остается огромной. Для одного отрицательная вертикальная перегрузка и быстро меняющийся горизонт дают удовольствие, другому аналогичная поездка приносит только физический дискомфорт. Поэтому определить некий объективный уровень "веселья" по скорости или высоте нельзя.

Компьютерные игры превратили пассажира в конструктора

В 1999 году появился RollerCoaster Tycoon. Его создатель Крис Сойер работал над игрой больше двух лет. Вместо поездки на готовом аттракционе игрок получил парк целиком: землю, деньги, посетителей, персонал и инструменты для строительства собственных трасс. Официальная история серии говорит о полном контроле над дизайном парков и возможности самостоятельно проектировать десятки типов горок.

Интерес здесь возникает из-за постоянной обратной связи. Построил трассу, запустил поезд, увидел результат. Изменил один участок, снова проверил. После этого приходится разбираться уже с очередями, стоимостью билета, передвижением посетителей и экономикой парка.

Это один из тех случаев, когда ограничение помогает игре. Если бы трасса была обычной декоративной линией, которую можно нарисовать как угодно, исправлять ее было бы незачем. Но симуляция превращает геометрию в задачу.

Atari сейчас описывает оригинальный RollerCoaster Tycoon как систему, где игрок конструирует собственные горки с симуляцией движения. Более специализированный NoLimits 2 идет значительно дальше и делает упор на физику, переключаемые участки пути, различные типы трасс и подробный редактор. Разработчики NoLimits даже сообщали, что их программой пользуются компании из индустрии при работе над реальными аттракционами.

Planet Coaster переносит тот же принцип в современную трехмерную песочницу. Здесь проектирование трассы соединено с практически свободным строительством окружения и управлением парком.

Парк в FreeRCT, свободном симуляторе строительства парка развлечений, развивающем идеи классических tycoon-игр. Автор изображения: FreeRCT Development Team. Источник: Wikimedia Commons. Лицензия GPL 2.0 или более поздняя.

Почему в такие игры легко провалиться на несколько часов, объясняется самой структурой задачи. Большая цель постоянно дробится на мелкие проблемы, причем результат изменения виден почти сразу. Трассу можно улучшать практически бесконечно, потому что после решения одной проблемы обнаруживается следующая.

В реальном парке такой цикл требует проектировщиков, производства, монтажа и больших денег. В игре достаточно удалить участок рельса и построить его заново.

VR поменяла декорации, не меняя рельсы

Виртуальная реальность добавила американским горкам еще один слой. Пассажир продолжает физически двигаться по настоящей трассе, но шлем заменяет окружающее пространство трехмерной сценой.

Для такого аттракциона мало запустить обычное VR-видео. Положение виртуальной камеры должно быть синхронизировано с реальным движением поезда. Если физический вагон входит в поворот, виртуальная сцена должна реагировать согласованно. Иначе глаза и вестибулярная система начинают сообщать мозгу заметно различающуюся информацию.

Эксперименты с совмещением реальной горки и VR активно проводились в середине 2010-х. В 2015 году технология появилась на Alpenexpress в Europa-Park, а в 2016-м Six Flags начала использовать VR на ряде существующих аттракционов. В системе изображение синхронизировалось с движением реального состава.

Фото: Thomas Wagner. Источник: Wikimedia Commons. Лицензия CC BY-SA 4.0.

Соединение реальной физики и цифрового изображения дает разработчику возможность менять визуальный смысл трассы. Настоящий спуск может стать падением космического корабля, поворот влево можно встроить в виртуальный полет вокруг здания, а тоннель заменить другой сценой.

Рельсы при этом остаются на месте. В этом и состоит одно из практических достоинств технологии: физический профиль аттракциона можно использовать для разных виртуальных сюжетов. Но VR приносит собственную проблему с укачиванием. Исследования виртуальных roller-coaster simulations используют данные о параметрах трассы и движении камеры для оценки вероятности motion sickness.

Поэтому компьютерная графика не отменяет инженерию движения. Она становится еще одной системой, которую приходится синхронизировать с ней.

Деревянные горки пережили несколько технологических поколений

Может показаться, что деревянная трасса на фоне LSM, компьютерного моделирования и VR давно должна была исчезнуть. Этого не произошло.

У деревянных американских горок осталась собственная конструктивная школа. Более того, современные компании продолжают развивать технологию. The Gravity Group была основана группой инженеров, специализировавшихся именно на деревянных горках. Существуют и гибридные проекты, где деревянная опорная конструкция сочетается со стальными элементами пути.

Отдельный пример долговечности старой техники дает Giant Dipper в Santa Cruz Beach Boardwalk. Аттракцион работает с 1924 года. IAAPA рассказывала к его столетию, что обслуживание деревянной конструкции требует специализированных навыков, которые десятилетиями передавались между сотрудниками парка.

Поэтому историю горок нельзя описывать как простую смену дерева сталью, а затем стали цифровыми технологиями. Старые и новые решения существуют одновременно.