¿Por qué los pasajeros se sienten obligados a sentarse en sus asientos al final de la primera caída en una montaña rusa?

El ciclista se siente "obligado a bajar" porque el objeto al que está sujeto está acelerando hacia arriba. Como la aceleración es opuesta a la gravedad, la fuerza normal,$\mathbf{F}_{N}$, que se ejerce sobre el ciclista debe aumentar en magnitud (en relación con la magnitud "en reposo" en una pista horizontal) para producir una aceleración neta hacia arriba. Por lo tanto, es el aumento en la magnitud de$\mathbf{F}_{N}$que causa el efecto en el jinete.

Para pensarlo de otra manera, el marco de referencia del asiento del conductor está acelerando y, al permanecer en el asiento, el conductor también debe acelerar. Dado que el ciclista generalmente solo experimenta$\mathbf{F}_{g}$mientras está en reposo sobre una superficie plana, si esa superficie "saltara" repentinamente en el aire verticalmente, el ciclista sentiría una magnitud adicional del descanso$\mathbf{F}_{N}$debido a la aceleración de la superficie. Esto debe ser cierto ya que el ciclista no acelera con respecto a la propia superficie, por lo que la fuerza ejercida por la superficie sobre el ciclista debe aumentar en respuesta al aumento de la aceleración.

Si la idea de la montaña rusa te molesta, trata de pensar en un columpio. Para moverse en un arco circular, la cadena/cuerda unida al asiento del columpio debe ejercer una fuerza de tensión que no está balanceada porque el movimiento circular corresponde a$d\mathbf{v}/dt \neq 0$, es decir, aceleración.

Nota al margen
La palabra centrípeta no se refiere a una fuerza, es una aceleración. Entonces, en el caso del columpio, la tensión de la cadena/cuerda unida al asiento proporciona la fuerza y ​​describimos el resultado neto de la fuerza de tensión desequilibrada como una aceleración, llamada aceleración centrípeta.

La clave es esta: ¿cómo se aplica la fuerza al ciclista? La gravedad tira directamente hacia abajo sobre la masa del pasajero, pero ¿qué impide que el pasajero se dirija hacia el centro de la Tierra?

Cuando estás en el asiento del pasajero de un auto deportivo y el conductor lo pisa a fondo, te sientes empujado hacia atrás en el asiento. Pero lo que realmente sucede es que el asiento te empuja hacia adelante. De cualquier manera, la fuerza de contacto comprime el cojín.

Aquí, lo que evita que el ciclista se dirija hacia abajo es la fuerza proporcionada por el carro de la montaña rusa que acelera hacia arriba, a través del asiento del carro. El resultado es que te sientes empujado hacia el asiento.