Ondersteboven rijden is misschien makkelijker dan het lijkt

Een afbeelding van een raceauto op een circuit, gedraaid om ondersteboven te verschijnen. Spencer Davis | Unsplash

De vraag of een auto ondersteboven kan rijden, bijvoorbeeld over het dak van een tunnel, fascineert ingenieurs en autoliefhebbers al tientallen jaren. De truc is zeker mogelijk in bepaalde omstandigheden, en er zijn talloze analyses die de verschillende betrokken krachten onderzoeken. Sterker nog, studenten wordt vaak gevraagd om deze krachten als oefening te berekenen.

Het is dus gemakkelijk voor te stellen dat de vraag grondig is onderzocht; dat er geen nieuwe methode kan zijn om de uitdaging op te lossen. Niet helemaal.

Vandaag hebben Fernando Dall'Agnol en collega's van de Federale Universiteit van Santa Catarina in Brazilië een geheel nieuwe manier ontdekt om over dit probleem na te denken dat tot nu toe over het hoofd werd gezien. Deze oplossing is wiskundig ongecompliceerd, maar is niet beschreven in de literatuur; zelfs niet in films of games, zeggen ze.

Hun aanpak heeft een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van andere. Er is een oplossing voor de dynamiek van een stuntauto, die hem ondersteboven kan houden in een cirkelvormige baan, niet voor een fractie van een seconde, maar voor onbepaalde tijd, zeggen Dall'Agnol en co. Ze demonstreren het zelfs met een speelgoedauto.

Eerst wat achtergrond. Een manier om ondersteboven te rijden is door aerodynamische krachten te gebruiken. Formule 1-auto's hebben bijvoorbeeld voor- en achtervleugels, die een kracht genereren die ze in de weg drukt. Een paar back-of-an-envelop-berekeningen tonen aan dat deze krachtige voertuigen voldoende neerwaartse kracht zouden genereren om ze met relatief lage snelheden van ongeveer 240 mijl per uur op het dak van een tunnel te houden. (Er is echter enige discussie over de vraag of de motoren in deze omstandigheden zouden blijven werken.)

Er is nog een kracht die een auto op de weg kan houden: middelpuntzoekende kracht. Talloze waaghalzen hebben auto's door loop-the-loop sporen gereden waar het voertuig even ondersteboven staat, door deze krachten tegen de baan gehouden.

Een soortgelijk effect doet zich voor bij wall of death circusdemonstraties. Hier rijdt een voertuig rond een cirkelvormige baan met wanden op 90 graden. Bij voldoende hoge snelheden genereert het voldoende middelpuntzoekende kracht om het tegen de verticale wand te drukken, waar wrijving voorkomt dat het valt. De betrokken krachten zijn eenvoudig te analyseren.

Maar Dall'Agnol en co gaan nog verder. Ze vragen wat er zou gebeuren op muren met een hoek groter dan 90 graden. De vraag die ze onderzoeken is hoeveel groter de hoek kan zijn en nog steeds de cirkelvormige beweging van een auto kan volhouden. We noemen sporen met hellingshoeken groter dan 90 graden een omgekeerd spoor, zeggen ze, eraan toevoegend dat deze situatie nooit onderzocht lijkt te zijn.

De analyse is eenvoudig. Het team ontwikkelde de vergelijkingen die de betrokken krachten bepalen en toonde aan dat het mogelijk is voor een auto om min of meer onbeperkt op een omgekeerde baan te rijden, tot 150 graden hellend, zelfs zonder aerodynamische krachten om te helpen.

Bijvoorbeeld, bij een hellingshoek van 135 graden zou een auto bijna 200 mph moeten rijden om op de baan te blijven. Uiteraard veranderen gunstige aerodynamica de berekeningen. Met voldoende aerodynamische downforce is het mogelijk om op circuits van elke helling te rijden, zeggen Dall'Agnol en co.

Het team testte het idee zelfs uit met een speelgoedauto op een omgekeerde cirkelvormige baan. In plaats van met de auto rond een stilstaand spoor te rijden, draaiden ze het hele spoor, waardoor de auto stil bleef staan ​​ten opzichte van de weg. We profiteren van deze gelijkwaardigheid omdat het veel gemakkelijker is om de hele baan plus het speelgoed te laten draaien dan een functionele elektrische speelgoedauto te maken die onder een omgekeerd spoor doorrijdt, zeggen ze.

Ze hebben immers niet de hele baan nodig omdat de auto er ten opzichte van stilstaat. Dus gebruiken ze een kort stuk spoor bedekt met schuurpapier om de wrijving met de autowielen te maximaliseren. Deze bevestigen ze onder een omgekeerde hoek aan een horizontaal fietswiel dat kan worden gedraaid terwijl de auto op zijn plaats wordt gehouden door een magneet. Wanneer het wiel met een bepaalde snelheid draait, vliegt de magneet weg en blijft de auto tegen de baan gedrukt. Je kunt hier een video van hun experiment bekijken.

Dat roept de voor de hand liggende vraag op of zo'n truc echt kan worden uitgevoerd. Dall'Agnol en co suggereren een cirkelvormige baan in de vorm van de binnenkant van een donut. Hierdoor kan de bestuurder relatief langzaam naar de omgekeerde positie overgaan en daar zo lang blijven als nodig is. Een dergelijk ontwerp is relatief veilig, want als de snelheid onder het vereiste minimum daalt, moet de auto gewoon van de baan glijden in plaats van te vallen. Dus als de snelheid ooit onder [de minimumsnelheid] zakt, zal de piloot niet zomaar met het hoofd naar beneden vallen, zeggen ze.

Er zijn echter verschillende andere praktische problemen die moeten worden aangepakt. Elke verbrandingsmotor zou bijvoorbeeld moeten worden aangepast om ervoor te zorgen dat hij niet vastloopt. Dat is zeker mogelijk: vliegtuigmotoren werken gemakkelijk ondersteboven. En zaken als het remvloeistofsysteem zouden moeten worden aangepast om te zorgen voor een soepele stroom wanneer ondersteboven.

Maar dit zijn eenvoudige aanpassingen. Inderdaad, een elektrisch voertuig is misschien nog gemakkelijker aan te passen voor reizen op zijn kop.

Dat is fascinerend werk dat ongetwijfeld de interesse zal wekken van petrolheads - eh, electric-heads - over de hele wereld. Om deze reden zou er geen gebrek zijn aan vrijwilligers om zo'n voertuig te besturen. Het ontbrekende ingrediënt is slechts een sponsor met genoeg geld om de demonstratie te betalen. Zei iemand Red Bull?

Referentie: arxiv.org/abs/1905.03825 : Ondersteboven rijden in een cirkelvormige baan

zich verstoppen