Därför sladdar och voltar bilen på videon

Videon i inlägget 6/8 visar en bil som i hög fart först får sladd och sedan blir luftburen så att den voltar. Frågan var då varför bilen, en bakhjulsdriven Mazda RX7, plötsligt blev omöjlig att kontrollera.

Några förslag till svar finns i december- och januarikommentarerna till det nämnda inlägget.
I min kommentar 2008-01-22 21:23 lovade jag svara på frågan.

Med videoinspelningar av mina demonstrationer i TV skulle det nog vara mycket lättare att förstå. Men jag har ännu inte ordnat tillstånd från SVT, Utbildningsradion och TV4 att lägga ut dem på webben bland mina filer i YouTube. Du får väl beställa en föreläsning i slutet sällskap, så är det OK för mig att visa dem - i den mån legobilar och papperssvalor inte räcker till.
Ett annat alternativ är att komplettera med mina försök till förklaringar i Nationalencyklopedin och i olika rapporter. Sök i litteraturlistan.

Två svar kommer här nedan, men de behöver inte i alla detaljer vara de enda förklaringarna till varför en bil rör sig som på videon - som jag lägger in här igen:



Sedan till förklaringen med hjälp av figuren nedan.
Figuren finns också i inlägget 2008-02-08, på webbsidan "Livsfarligt om sidgrepp och däck är bättre fram än bak?" och under uppslagsordet kursstabilitet i Nationalencyklopedin.



Enligt Newtons lagar i modern mekanik, farkost- och fordonsdynamik rör sig bilens tyngdpunkt med oförändrad hastighet så länge inga yttre krafter verkar på bilen. Det gäller också vinkelrörelser omkring tyngdpunkten - eller masscentrum, som är en bättre benämning i det här sammanhanget.

Glöm centrifugalkraften, som är förvirrande när man utgår från Newtons lagar. Glöm också den så kallade "levande kraften", som egentligen avser rörelseenergi, inte kraft.

Tänk dig först att bilen färdas i världsrymden utan luft- och tyngdkrafter och är upphängd i sitt masscentrum (tyngdpunkten). När den sen kommer ned på jorden uppstår krafter från vägbanan på hjulen/däcken som gör att bilen kan svänga eller ändra farten.

Mazdan på videon utsätts också för stort luftmotstånd, som minskar farten om inte drivkrafterna på bakhjulen övervinner luftkrafterna. Så länge som summan av dessa yttre längskrafter är framåtriktad, ökar bilen farten.

När det gäller vertikalkrafterna ser det ut (på videon efter 11 sekunder) som om bilen har rejält med luftkrafter nedåt - "downforce". Det handlar troligen om ett rekordförsök där man har monterat extra spoilers och liknande, för att öka de nedåtriktade luftkrafterna, "downforce".

MEN - det finns två men.
Det räcker med ett av dessa men för att förklara kraschförloppet.

1) Bakhjulsdrivna bilar blir instabila när drivkrafterna tar för stor andel av väggreppet.

Mazdan på videon har däck, som gör den stabil på vägen enligt den nedre delen av figuren - så länge inga drivkrafter tar för mycket av väggreppet från bakhjulen. De behöver sidgrepp för att övervinna det girande momentet från framhjulen och vrida tillbaka bilen i färdriktningen.
Men när farten och luftmotståndet ökar måste också drivkrafterna öka - vilket minskar de sidkrafter som bakhjulen kan ge för att rikta bilen rätt efter en liten slumpmässig störning.

Med figurens förenklade beskrivning blir alltså bilen instabil när drivkrafterna har minskat sidkrafterna och deras girmoment från bakhjulen (medurs i figuren), så att det blir mindre än framhjulens (moturs) girmoment.

En mer detaljerad analys måste ta hänsyn till att tyngdpunkten rör sig i en krökt bana. Med Newtons mekanik, differentialekvationer och reglerteori kan man ange vid vilken hastighet som bilen blir instabil.

Denna så kallade kritiska hastighet existerar bara om sidgreppet är större fram än bak. I så fall är den kritiska hastigheten proportionell mot kvadratroten av axelavståndet enligt ekvation (1) i min rapport "Winter braking tests with 66 drivers, different tyres and disconnectable ABS". Den kan laddas ned i PDF från min företagswebb via www.stop.se/test/winter.htm
De testerna gjordes på ett flygfält i norra Dalarna med mindre resurser än i Lapplands testcentra enligt DN 22mars 09:15 (Här avslöjas alla världens bilnyheter och Biltest ny basindustri för Arjeplog) - men med fullständig kontroll över vilka bilar och däck som trafikerade de tre banorna.

2) Bilkarosser är aerodynamiskt instabila i alla tre vridningsriktningarna (gir, roll och tipp).

På farkoster som rör sig relativt luften finns en tänkt punkt, där luftkrafterna angriper. Den punkten kallas ibland för tryckcentrum.
Bilkarosser är instabila som luftfarkoster, därför att tryckcentrum ligger framför tyngdpunkten (T i figuren).
Flygplan har fena för girstabiliteten och stabilisator ('bakvinge') för tippstabiliteten.

Visserligen är luftkrafterna på bilkarossen huvudsakligen bakåtriktade. Men en liten del är riktad åt sidan (pga sidvind och turbulens) och ger ett vridmoment omkring tyngdpunkten, som får bilen att vrida sig (moturs i figuren) medan tyngdpunkten fortsätter rakt fram.

Snedanblåsningen på bilkarossen från fartvinden ökar då den sidoriktade andelen av luftkrafterna, liksom hävarmen för girmomentet från luften. Det gör att en liten slumpmässig girvinkelrörelse förstärks 'av sig själv' och vrider bilen med (höger-)sidan i färdriktningen - om inte bakdäcken ger tillräckligt med återställande sidkrafter. Sidkraftsumman på de fyra hjulen (resultanten F) måste ge ett (medurs) girmoment som är större än (det motursriktade) girmomentet från luftkrafterna (ej utritade i figuren).

När bilen väl har ställt sig på tvären, blir den som ett flygplan utan fena eller stabilisator. Den lyfter från marken och vrids upp-och-ned. På videon lyfter inte bilen ordentligt från marken förrän efter cirka tre kvarts varv.

Det skulle kunna ha skett på samma sätt även om bilen varit framhjulsdriven, men då skulle sidvindsstörningarna behövt vara betydligt större. Drivkrafterna som ska övervinna luftmotståndet gör ju att de girande sidkrafterna på framhjulen blir mindre.