211service.com
Å kjøre opp ned kan være enklere enn det ser ut til
Et bilde av en racerbil på en bane, rotert for å vises opp-ned. Spencer Davis | Unsplash
Spørsmålet om en bil kan kjøre opp ned – langs taket av en tunnel, for eksempel – har fascinert ingeniører og kjøreentusiaster i flere tiår. Trikset er absolutt mulig under visse omstendigheter, og det er mange analyser som utforsker de ulike kreftene som er involvert. Faktisk blir elevene ofte bedt om å beregne disse kreftene som en øvelse.
Så det er lett å forestille seg at spørsmålet har blitt grundig utforsket; at det ikke kan være noen ny metode for å løse utfordringen. Ikke helt.
I dag har Fernando Dall’Agnol og kolleger ved det føderale universitetet i Santa Catarina i Brasil oppdaget en helt ny måte å tenke på dette problemet som på en eller annen måte har blitt oversett til nå. Denne løsningen er matematisk ukomplisert, men den er ikke avbildet i litteraturen; ikke engang i filmer eller spill, sier de.
Deres tilnærming har noen betydelige fordeler fremfor andre. Det finnes en løsning for dynamikken til en stuntbil, som kan holde den opp-ned i en sirkulær bane, ikke i et brøkdel av et sekund, men på ubestemt tid, sier Dall’Agnol og co. De demonstrerer det til og med med en lekebil.
Først litt bakgrunn. En måte å kjøre opp ned på er å bruke aerodynamiske krefter. Formel 1-biler har for eksempel for- og bakvinger, som genererer en kraft som presser dem inn i veien. Noen få bak-av-en-konvolutt-beregninger viser at disse høyytelseskjøretøyene ville generere nok downforce til å holde dem på taket av en tunnel ved relativt lave hastigheter på rundt 140 miles per time. (Det er imidlertid en viss debatt om hvorvidt motorene vil fortsette å fungere under disse forholdene.)
Det er en annen kraft som kan holde en bil på veien – sentripetalkraft. Tallrike våghalser har kjørt biler gjennom loop-the-loop-spor der kjøretøyet et øyeblikk er opp ned, holdt mot banen av disse kreftene.
En lignende effekt oppstår i wall of death-sirkusdemonstrasjoner. Her kjører et kjøretøy rundt en sirkelbane med vegger i 90 grader. Ved høye nok hastigheter genererer den nok sentripetalkraft til å presse den mot den vertikale veggen, hvor friksjon hindrer den i å falle. De involverte kreftene er enkle å analysere.
Men Dall’Agnol og co tar effekten enda lenger. De spør hva som ville skje på vegger med en vinkel større enn 90 grader. Spørsmålet de undersøker er hvor mye større vinkelen kan være og fortsatt opprettholde den sirkulære bevegelsen til en bil. Vi kaller spor med vinkler større enn 90 grader et omvendt spor, sier de, og legger til at denne situasjonen ser ut til å aldri ha blitt studert.
Analysen er grei. Teamet utviklet ligningene som styrer de involverte kreftene og viste at det er mulig for en bil å kjøre mer eller mindre i det uendelige på en omvendt bane, opp mot 150 grader, selv uten at aerodynamiske krefter hjelper.
For eksempel, ved en vinkel på 135 grader, må en bil kjøre i nesten 200 km/t for å holde seg på banen. Åpenbart endrer gunstig aerodynamikk beregningene. Med tilstrekkelig aerodynamisk downforce er det mulig å kjøre på skinner med hvilken som helst helning, sier Dall’Agnol og co.
Teamet satte til og med ideen på prøve med en lekebil på en omvendt sirkelbane. I stedet for å kjøre bilen rundt et stillestående spor, roterte de hele banen, og holdt bilen i ro i forhold til veien. Vi utnytter denne ekvivalensen fordi det er mye lettere å få hele banen pluss leken til å snurre enn å lage en funksjonell elektrisk lekebil å kjøre under en omvendt bane, sier de.
De trenger faktisk ikke hele banen fordi bilen står stille i forhold til den. Så de bruker en kort del av banen dekket med sandpapir for å maksimere friksjonen med bilhjulene. De fester denne i en omvendt vinkel til et horisontalt sykkelhjul som kan roteres med bilen holdt på plass av en magnet. Når hjulet roterer med en viss hastighet, flyr magneten av, og etterlater bilen presset mot banen. Du kan se en video av eksperimentet deres her.
Det reiser det åpenbare spørsmålet om et slikt triks kan utføres på ekte. Dall’Agnol og co foreslår et sirkulært spor formet som innsiden av en smultring. Dette gjør at føreren kan gå over til opp-ned-posisjon relativt sakte og bli der så lenge det er nødvendig. Et slikt design er relativt trygt, siden hvis hastigheten faller under minimumskravet, bør bilen ganske enkelt gli nedover banen i stedet for å falle. Så hvis hastigheten noen gang synker under [minimumshastigheten], vil piloten ikke bare stupe hodet først, sier de.
Det er imidlertid flere andre praktiske problemer å løse. For eksempel vil enhver forbrenningsmotor måtte modifiseres for å sikre at den ikke setter seg fast. Det er absolutt mulig - flymotorer fungerer lett opp ned. Og ting som bremsevæskesystemet må modifiseres for å sikre en jevn flyt når den er opp ned.
Men dette er enkle modifikasjoner. Faktisk kan et elektrisk kjøretøy være enda enklere å modifisere for reise opp-ned.
Det er et fascinerende arbeid som garantert vil vekke interessen til bensinhoder – feil, elektriske hoder – verden over. Av denne grunn vil det ikke være mangel på frivillige til å kjøre et slikt kjøretøy. Den manglende ingrediensen er bare en sponsor med nok penger til å betale for demonstrasjonen. Sa noen Red Bull?
Ref: arxiv.org/abs/1905.03825 : Kjøre opp-ned i et sirkelspor