Sicherheitssysteme einer Achterbahn

Veröffentlicht am 26. Juni 2022

Die Sicherheit ist bei einer Achterbahn oberstes Gebot. Damit diese Sicherheit gewährleistet ist, gehören zu einer modernen Achterbahn zahlreiche Sicherheits-und Steuerungssysteme.

Gurte oder Schoßbügel müssen den Fahrgast auch bei hohen Kräften sicher im Sitz halten können. Bremssysteme müssen bei Stromausfall und Materialverschleiß den Zug sicher zum Stehen bringen und an dem Rückwärtsfahren hindern. Steuerungssysteme müssen dafür sorgen, dass mehrere Züge auf einer Strecke fahren können und kein Zug mit einem anderen kollidiert. Radtechniken sorgen dafür, dass der Zug bei jeder Lage auf den Schienen bleibt und Kombinationen von verschiedenen Bremsarten sorgen zu jeder Zeit, auch bei Stromausfall, für den sicheren Halt des Achterbahnzuges.

Sicherheitssysteme bei Schienen und Wagen

Die Gewährleistung der Sicherheit bei einer Achterbahn fängt mit der Aufhängung der Laufräder an. Zusätzliche Laufräder an der Seite und unter den Schienen sorgen für die sichere Fahrt auf den Schienen bei Kurven und Hügeln. Mit diesem System sind einzigartige Drehungen und Bewegungen mit dem Achterbahnzug möglich ohne, dass dieser auf der vorgegebenen Strecke entgleist.

Da heutige Achterbahnen viele Schrauben und Loopings besitzen, sind weiterhin aufwendige Anschnallsysteme notwendig. Damit der Fahrgast bei einem Looping nicht herausfallen kann werden bei den heutigen, modernen Achterbahnen so genannte Schulterbügel eingesetzt. Diese sichern den Fahrgast während der ganzen Fahrt vor dem Herausfallen. Diese Schulterbügel werden mit Hydrauliksystemen doppelt gesichert. Ein Öffnen während der Fahrt ist unmöglich. Genauere Informationen zu den Bügelsystemen können Sie auch dem Interview im Angang entnehmen.

Ein weiteres Sicherheitssystem befindet sich auf dem Kettenlift. Sollte einmal die Kette des Kettenliftes durch Materialschwäche reißen, ist diese durch ein Rückrollsystem gesichert. Das Rückrollsystem besteht aus einem Haken, der sich beim Hochfahren in kurzen Abständen in Sperrhaken einrastet. Der Achterbahnzug kann also nur eine Richtung fahren, denn wenn es durch Verschleiß wirklich zu einem Riss in der Kette kommen sollte, so verkeilt sich durch den Haken der Zug an dieser Stelle. Dieses System nennt sich „Anti-Rollback System“.

Überwachung und Steuerungssysteme

Eine neue Achterbahn sorgt in einem Freizeitpark für viele Besucher. Deswegen möchte man mit dieser Achterbahn so viele Menschen wie möglich transportieren. Die Anzahl der Menschen, die eine Achterbahn befördern kann, wird pro Stunde berechnet. Um mehre Besucher pro Stunde befördern zu können, müssen mehrere Achterbahnzüge eingesetzt werden.

Damit dies möglich ist, ist jede Achterbahnstrecke in Blockabschnitte eingeteilt. Je nachdem wie lang die Achterbahnstrecke ist, umso mehr Blöcke gibt es und umso mehr Achterbahnzüge können gleichzeitig fahren. Dabei gilt aber immer, dass sich in einem Block nur ein Achterbahnzug befinden darf. Damit dies kontrolliert werden kann, hat jeder Block am Anfang und am Ende einen Sensor der die Ein- und Ausfahrt des Achterbahnzuges erfasst und der zentralen Computersteuerung übermittelt. Fährt nun „Achterbahnzug 1“ in den Block hinein, sperrt der Sensor diesen Abschnitt solange, bis „Achterbahnzug 1“ am Ende dieses Blockes den anderen Sensor ausgelöst hat. Sollte „Achterbahnzug 2“ dem „Achterbahnzug 1“ gefährlich nahe kommen, wird dieser durch ein Bremssystem solange gehalten, bis wieder Abstand gewährleistet wird.

Sensoren geben dem Menschen, der die Achterbahn gerade steuert mit Hilfe von Lichtsignalen den aktuellen Stand des Zuges bekannt. Sollte er etwas für gefährlich einstufen, kann er also auch manuell bestimmte Abschnitte sperren. Eine Achterbahn fährt nie alleine computergesteuert. Es muss immer Personen geben, die zusätzlich die Steuerungssysteme überwachen und im Notfall manuell eingreifen können.

Bremssysteme einer Achterbahn

Wurde ein Achterbahnzug nun durch eine der beschriebenen Antriebstechniken auf Geschwindigkeit gebracht wird, so ist umso wichtiger, diesen am Ende der Achterbahnfahrt wieder zu stoppen. Die zwei effektivsten Bremssysteme sind dabei das Bremsen mit Reibbremse sowie mit Wirbelstrombremse. Beide Bremsen haben unterschiedliche Funktionen und haben Ihre eigenen Vor und Nachteile.

Reibbremse

Die älteste Variante der Bremssysteme auf Achterbahnen ist die Reibbremse. Seit Anfang des 19. Jahrhunderts hat sich diese bis heute von der Funktion und der Entwicklung nicht viel verändert. Sie ist auf fast jeder Achterbahn zu finden.

Bei einer Reibbremse gibt es sogenannte Bremsschuhe und ein Bremsschwert. Das Bremsschwert ist unterhalb des Achterbahnzuges angebracht. Die Bremsschuhe sind dagegen die eigentliche Reibbremse in die der Zug mithilfe des Bremsschwertes zum Stillstand kommen kann.

Die Funktion der Reibbremse wird durch das Gesetz der Coloumbschen Reibung beschrieben. „Die kinetische Reibung betrachtet zwei Körper, welche sich gegenseitigen berühren und sich gleichzeitig relativ zueinander bewegen. Dadurch entsteht eine Reibkraft, welche in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung zeigt“.

IDer Betrag einer Kraft ergibt sich durch die Richtung und die Stäke. Übertragen wir nun diese Grafik auf die Reibbremse einer Achterbahn, so stellt „FN“ = Die Normalkraft, mit der Bremsschwert sowie Bremsschuh aufeinandergedrückt werden und „FR“ = Die Reibungskraft dar. Diese steht senkrecht auf der Normalkraft und ist proportional zu dieser. Es gilt folgende Formel:

FR = FN * µ

Der Faktor µ wird als Reibkoeffizient bezeichnet. Er wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. „Der Reibkoeffizient ist abhängig von der Andruckkraft, der relativen Geschwindigkeit, der Temperatur und der Schmierung der beiden aufeinander reibenden Oberflächen“.

Die Reibbremse heißt so, da durch den Bremsvorgang des Achterbahnzuges eine Reibung entsteht. Jeder von uns kennt das, wenn man zum Beispiel an seiner Haut mit dem Finger ganz schnell hin und her geht, dass Wärme entsteht. Genau das gleiche Prinzip ist bei der Reibbremse vorhanden. Der Bremsvorgang ist somit im Allgemeinen nichts Anderes als die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie, damit der Achterbahnzug zum Stillstand kommt.

Natürlich ist die Technik, die für das Schließen dieser Reibbremsen zuständig ist, auch nicht ganz uninteressant. Für das Schließen gibt es zwei verschiedene Varianten. Beide Varianten funktionieren mit einem pneumatischen Zylinder. Generell gilt bei diesen pneumatischen Bremsen, dass sie stets geschlossen sind. Ein Öffnen mithilfe der Zylinder wird nur durch Sensoren ausgelöst. Sobald ein Zug die Reibbremse überwunden hat, schließt sich diese sofort wieder, um einen sicheren Stopp für den nächsten Zug auch bei Stromausfall zu gewähren.

Wirbelstrombremse

Im Gegensatz zur Reibbremse existiert die Wirbelstrombremse erst seit 1996 auf Achterbahnen. Das Prinzip einer Wirbelstrombremse basiert zum einen auf dem Induktionsgesetz, welches besagt:

„Dass eine Änderung des magnetischen Flusses, von dem ein leitfähiges Objekt durchsetzt wird, eine Induktionsspannung zur Folge hat“.

Und zum anderen auf der Regel von Lenz welche besagt:

„Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht“.

Die Wirbelstrombremse ist genau auf diesen beiden Prinzipien aufgebaut, denn bei einer Wirbelstrombremse existiert ebenfalls ein Bremsschwert unterhalb des Achterbahnzuges. Dieses bewegt sich aber durch ein inhomogenes Magnetfeld. Auf einen fixierten Punkt auf dem Bremsschwert bezogen ändert sich das Feld über eine Dauer (Zeit). Bei einem homogenen Magnetfeld ist die Feldstärke zu jedem Zeitpunkt gleich. Würde ein Metallkörper durch das homogene Feld bewegt werden, gäbe es keine Veränderung des Feldes in Abhängigkeit mit der Zeit und somit auch keine Bremswirkung. Ein inhomogenes Feld wird deswegen benötigt, weil die Feldstärke dort ungleichmäßig verteilt ist und dadurch eine Veränderung des Feldes in Abhängigkeit mit der Zeit stattfindet, was zur Folge hat, dass eine Spannung induziert wird, welche wiederum Wirbelströme und die Bremswirkung verursacht.

Nähert sich der Achterbahnzug nun der Wirbelstrombremse, so findet beim Eintauchen der Bremsschwerter in die Wirbelstrombremse die oben beschriebene Veränderung des Feldes im Verhältnis mit der Zeit und die damit entstehenden Wirbelströme statt. Wie die Wirbelströme nun genau entstehen, erkläre ich im nächsten Schritt.

Das Bremsschwert bewegt sich in Richtung des Pfeils v von links nach rechts. Im Bereich des Südpols von Figur 1 wird ein Elektron, welches sich im Bremsschwert befindet beim Eintauchen in die Wirbelstrombremse nach unten abgedrängt, im Bereich des Nordpols dagegen nach oben abgedrängt. Dadurch wird ein Elektron auf eine Kreisbahn gezwungen und es entsteht ein sogenannter Wirbelstrom.

Wie oben beschrieben entsteht durch diesen Wirbelstrom ein Magnetfeld im Bremsschwert, welches der Permanentmagneten in der Wirbelstrombremse entgegengesetzt ist.

Nun betrachten wir den Magneten. Das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld im Bremsschwert ist nun noch zusätzlich eingezeichnet. Man sieht nun durch das Kräftedreieck, dass sich eine abstoßende Kraft „Fm“ zwischen den Nordpolen des vom Wirbelstrom erzeugten Magnetfeldes und des Permanentmagneten zeigt. Die Kraft „Fm“ wirkt schräg und lässt sich deswegen mithilfe des Kräftedreieckt in zwei Komponenten zerlegen. Am Kräftedreieck erkennt man nun, dass „FL“ sichtbar wird. Dies ist die Kraft, die für den eigentlichen Bremsvorgang verantwortlich ist. Es wird eine weitere Kraft nämlich „FN“ sichtbar. Aus dem Kräftedreieckt resultiert, dass diese Kraft zwar vorhanden ist, jedoch nicht dazu beiträgt, dass der Zug abgebremst wird. Im Gegenteil, sie übt nämlich unnötigen Druck auf die Konstruktion aus und ist somit eine unerwünschte Kraft. Da sie aber aus der Kraft „Fm“ resultiert, ist sie nicht vermeidbar.

Nun wo man beide Funktionen verstanden hat, lässt sich auch sehr schön der Vor-und Nachteil der Bremsen definieren. Die Wirbelstrombremse wirkt ohne Berührung und ist somit frei von Verschleiß. Dagegen muss man durch die Berührung von Bremsschwert und der Reibbremse bei den Wartungen der Achterbahnen immer wieder die Bremsbelege austauschen, da sich diese abnutzen. Es werden somit bei einer Wirbelstrombremse Wartungs- und Servicekosten gespart. Sparen kann man dagegen beim Kauf einer Wirbelstrombremse nicht. Diese ist mit zwei- bis dreimal so hohen Anschaffungskosten wie eine Reibbremse verbunden. Der große Vorteil bei einer Wirbelstrombremse ist jedoch, dass der Zug zu jeder Sekunde, egal ob mit oder ohne Strom sicher abgebremst wird. Bei einer Reibbremse dagegen kann es zu mechanischen oder strombedingten Fehlern kommen. Der größte Nachteil einer Wirbelstrombremse ist, dass diese nur für die Abbremsung einer Achterbahn, nicht jedoch für den Stillstand sorgen kann. Wie oben beschrieben funktioniert die Bremskraft, welche übrigens von der Geschwindigkeit des Achterbahnzuges abhängig ist, nur wenn eine Änderung des Feldes im Verhältnis zur Zeit stattfindet. Ist der Zug erst einmal verlangsamt, ist diese Veränderung so gering, dass die Wirbelstrombremse nicht in der Lage ist, den Zug festzuhalten, da keine große Veränderung des Feldes auf Dauer nachzuweisen ist. Eine Wirbelstrombremse muss deswegen immer in Kombination mit einer Reibbremse angebracht sein, da sonst kein kompletter Stillstand erfolgen kann.

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