Vous avez donné la bonne réponse, mais je me permets de préciser la chose avec quelques notions de
mécanique des structures.
Si on exclut les contraintes de construction, l'ingénieur structure a 3 objectifs principaux:
L'un qui va dans le sens de la réduction de matière :
- limiter les
coûts
En première approximation, le coût est simplement le poids de la structure. Notamment l'acier donc, mais il ne faut pas oublier les fondations cachées.
Deux dans le sens de l'augmentation de matière :
- que la structure résiste
- que la structure ne se déforme pas trop
Le premier est évident, simplement on ne veut pas que cela casse. C'est de la
sécurité.
Le second est moins évident. On pourrait penser "si ça se déforme alors ça casse", mais en fait non, on peut parfaitement avoir une structure qui se déforme beaucoup et résiste bien. Le critère de déformation est en fait un critère de
confort pour l'usage. L'exemple type est qu'une personne ne se sent pas bien sur un pont de corde car il bouge beaucoup, pourtant aucun soucis quant à sa résistance. Pour les coasters, c'est la déformation du rail sous le passage du train, cela peut par exemple provoquer des secousses et vibrations.
Maintenant venons-en aux
éléments structurels et aux
paramètres dont ils dépendent.
Le rail peut être assimilé à une
poutre continue entre plusieurs appuis (les poteaux). Je vais partir sur l'hypothèse d'un train long (c'est à dire plus long que l'espacement des poteaux), mais les résultats sont analogues pour un train court.
Commençons par les raidisseurs, cross ties, ils résistent à l'
effort tranchant sur le rail.
La résistance apportée en effort tranchant est proportionnelle linéairement* à la fréquence des cross ties (donc à leur quantité).
L'effort tranchant sur le rail dépend (en première approximation):
- de la masse du train linéairement*
- de la vitesse du train quadratiquement*
- de la courbure du rail linéairement*
- de la distance entre les supports linéairement*
Ensuite l'
inertie de la section, elle permet de résister au moment fléchissant et à la déformation. De notre côté, on voit les changements d'inertie par choix d'ajouter une spine par exemple.
La subtilité ici c'est que l'inertie ne dépend pas simplement de la quantité de matière . L'inertie dépend:
- de l'aire de la section (quantité d'acier) linéairement*
- de l'espacement de la matière quadratiquement* donc pour une même quantité de matière, l'espacement des spines va pouvoir beaucoup jouer.
L'inertie résiste linéairement* au
moment fléchissant qui lui dépend :
- de la masse du train linéairement*
- de la vitesse du train quadratiquement*
- de la courbure du rail linéairement*
- de la distance entre les supports quadratiquement*
L'inertie résiste linéairement* à la
déformation qui elle dépend :
- de la masse du train linéairement*
- de la vitesse du train quadratiquement*
- de la courbure du rail linéairement*
- de la distance entre les supports à la puissance 4*
L'enjeu pour l'ingénieur structure sera donc de
bien choisir la quantité de matière et encore plus de bien la répartir.
Pas de commentaire sur la masse du train, qui de son côté a aussi beaucoup de contraintes mécaniques.
Concernant la
courbure du rail et la
vitesse du train, cela devrait vous dire quelque chose
C'est précisément ce qui conditionne
les G's ressentis par les riders. Donc ces paramètres sont très liés aux sensations du coaster et au choix de layout (la courbure étant directement le layout et la vitesse dépendant de la racine carrée de la hauteur du parcours). On peut aussi s'attendre à ce que ces deux paramètres soient liés entre eux, et avec une limitation qui va dépendre du niveau de sensation du coaster (plus de forces sur un thrill que sur un kiddie.)
Pour l'espacement entre les poteaux on voit que c'est très défavorable, on peut se demander : Pourquoi alors ne pas mettre des poteaux plus fréquemment ? La fausse réponse serait que ce n'est pas esthétique. Mais la vrai raison est dite un peu plus haut. Le prix du coaster dépend de la quantité de matière de celui-ci, mais pas uniquement les rails, aussi la structure des supports. Il faut donc optimiser parfois avec un rail plus gros et des supports moins fréquents. Notamment pour les supports les plus haut qui coûtent le plus cher. Le fait que ce soit plus beau est simplement une conséquence.
*NB* pour ceux qui ont tristement un rejet des maths :
Linéairement signifie proportionnel. Donc si B varie linéairement avec A. Si je double A, je double B.
Quadratiquement signifie "au carré". Donc si B varie quadratiquement avec A. Si je double A, je quadruple B.
A la puissance 4, signifie que si je double A, je multiplie B par 16.
Avec tout cela, je vous laisse vous imaginer créer un coaster et tout ce qui en découle...