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  <title>torque.xml</title>
  <meta name="GENERATOR" />
  <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=iso-8859-1" />
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<h1>Rollover Torque Calculation for a Vehicle in a Circular Path</h1>

<p>You need the free Amaya browser/editor to see the math in this XML/MathML
document. Download it at <a
href="http://www.w3.org/amaya.">http://www.w3.org/amaya.</a></p>

<table border="1" width="100%">
  <tbody>
    <tr>
      <td><img src="F:/science/physics/graphics/car6.gif" alt="car6" /></td>
      <td>This shows a vehicle whose floor is at angle 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>&theta;</mi>
        </math>
        to the road bed. 

        <p>The angle between the floor of the vehicle and the vector from the
        pivot point</p>

        <p>at the wheel to the center of gravity is given by 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>tan</mi>
          <msub>
            <mi>&theta;</mi>
            <mi>c</mi>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mfrac>
            <mi>h</mi>
            <mfrac>
              <mi>t</mi>
              <mn>3</mn>
            </mfrac>
          </mfrac>
        </math>
        . The radius of the rollover rotation is the hypotenuse of the 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mo>(</mo>
          <mi>h</mi>
          <mo>,</mo>
          <mfrac>
            <mi>t</mi>
            <mn>2</mn>
          </mfrac>
          <mo>)</mo>
        </math>
        right triangle, which is 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msqrt>
            <msup>
              <mi>h</mi>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <msup>
              <mrow>
                <mo>(</mo>
                <mfrac>
                  <mi>t</mi>
                  <mn>2</mn>
                </mfrac>
                <mo>)</mo>
              </mrow>
              <mn>2</mn>
            </msup>
          </msqrt>
        </math>
        . At the rollover point, the center of gravity is over the pivot
        point. Then the angle 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>&theta;</mi>
        </math>
        is given by 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>tan</mi>
          <msub>
            <mi>&theta;</mi>
            <mi>p</mi>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mfrac>
            <mfrac>
              <mi>t</mi>
              <mn>2</mn>
            </mfrac>
            <mi>h</mi>
          </mfrac>
        </math>
        . The centrifugal force 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>f</mi>
            <mi>c</mi>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mi>m</mi>
          <msub>
            <mi>a</mi>
            <mi>c</mi>
          </msub>
        </math>
        ,</p>

        <p>where 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>a</mi>
            <mi>c</mi>
          </msub>
          <mo>=</mo>
        </math>
        the centripetal acceleration.</p>
      </td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
The counterclockwise torque about the pivot point is: 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&tau;</mi>
  <mo>=</mo>
  <mi>m</mi>
  <mi>a</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mi>cos</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>+</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>+</mo>
  <mi>w</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>h</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>-</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mi>cos</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>)</mo>
</math>
. 

<p>In the equation above it appears that the centripetal acceleration 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>=</mo>
  <mfrac>
    <msup>
      <mi>v</mi>
      <mn>2</mn>
    </msup>
    <mi>r</mi>
  </mfrac>
<mi>&ThickSpace;</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi>

</math>
is constant, but that is not true. Energy is assumed conserved, so 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>v</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mi></mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
must decrease to 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>v</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>-</mo>
  <mn>2</mn>
  <mi>g</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msqrt>
      <msup>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mfrac>
            <mi>t</mi>
            <mn>2</mn>
          </mfrac>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mi>h</mi>
        <mn>2</mn>
      </msup>
    </msqrt>
    <mo>-</mo>
    <mi>h</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math>
as the center of mass rises from initially 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>h</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
to 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msqrt>
    <msup>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mfrac>
          <mi>t</mi>
          <mn>2</mn>
        </mfrac>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mn>2</mn>
    </msup>
    <mo>+</mo>
    <msup>
      <mi>h</mi>
      <mn>2</mn>
    </msup>
  </msqrt>
</math>
at the critical point of rollover. Also, since the wheels are locked to movein
a circle of radius 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>r</mi>
</math>
, the radius of the center of mass changes from initially 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>r</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
to 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>r</mi>
  <mo>+</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
at the critical point of rollover. As functions of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&theta;</mi>
</math>
, the angle between the vehicle floor and the road bed, the equations are:</p>

<p>
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mrow>
      <mo>[</mo>
      <mi>v</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>]</mo>
    </mrow>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <mi>v</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>-</mo>
  <mn>2</mn>
  <mi>g</mi>
  <mo>[</mo>
  <msqrt>
    <msup>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mfrac>
          <mi>t</mi>
          <mn>2</mn>
        </mfrac>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mn>2</mn>
    </msup>
    <mo>+</mo>
    <msup>
      <mi>h</mi>
      <mn>2</mn>
    </msup>
  </msqrt>
  <mi>sin</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>+</mo>
    <msub>
      <mi>&theta;</mi>
      <mi>c</mi>
    </msub>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>-</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo>]</mo>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <mi>v</mi>
    <mn>2</mn>
  </msup>
  <mo>-</mo>
  <mn>2</mn>
  <mi>g</mi>
  <mo>[</mo>
  <mi>h</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>cos</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>-</mo>
    <mn>1</mn>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>]</mo>
</math>
 and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
</math>
</p>

<p>
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>r</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mi>r</mi>
  <mo>+</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mo>-</mo>
  <msqrt>
    <msup>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mfrac>
          <mi>t</mi>
          <mn>2</mn>
        </mfrac>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mn>2</mn>
    </msup>
    <mo>+</mo>
    <msup>
      <mi>h</mi>
      <mn>2</mn>
    </msup>
  </msqrt>
  <mi>cos</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>+</mo>
  <msub>
    <mi>&theta;</mi>
    <mi>c</mi>
  </msub>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>r</mi>
  <mo>+</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mn>1</mn>
    <mo>-</mo>
    <mi>cos</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mi>h</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
</math>
,</p>

<p>where 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>r</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
  <mtext>and</mtext>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
  <mi>v</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
  <mtext>are the initial values and</mtext>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
  <msub>
    <mi>&theta;</mi>
    <mi>c</mi>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mi>arctan</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mfrac>
      <mi>h</mi>
      <mfrac>
        <mi>t</mi>
        <mn>2</mn>
      </mfrac>
    </mfrac>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mi></mi>
</math>
is the initial angle between the vector to the center of mass from the
pivotpoint and the vehicle floor. Then the torque/weight as a function of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&theta;</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
is</p>

<p>
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mfrac>
    <mrow>
      <mi>&tau;</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
    <mi>w</mi>
  </mfrac>
  <mo>=</mo>
  <mfrac>
    <mrow>
      <msup>
        <mi>v</mi>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>-</mo>
      <mn>2</mn>
      <mi>g</mi>
      <mo>[</mo>
      <msqrt>
        <msup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mfrac>
              <mi>t</mi>
              <mn>2</mn>
            </mfrac>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mn>2</mn>
        </msup>
        <mo>+</mo>
        <msup>
          <mi>h</mi>
          <mn>2</mn>
        </msup>
      </msqrt>
      <mi>sin</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>+</mo>
        <msub>
          <mi>&theta;</mi>
          <mi>c</mi>
        </msub>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>-</mo>
      <mi>h</mi>
      <mo>]</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>g</mi>
      <mo>[</mo>
      <mi>r</mi>
      <mo>+</mo>
      <mfrac>
        <mi>t</mi>
        <mn>2</mn>
      </mfrac>
      <mo>-</mo>
      <msqrt>
        <msup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mfrac>
              <mi>t</mi>
              <mn>2</mn>
            </mfrac>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mn>2</mn>
        </msup>
        <mo>+</mo>
        <msup>
          <mi>h</mi>
          <mn>2</mn>
        </msup>
      </msqrt>
      <mi>cos</mi>
      <mo>(</mo>
      <mi>&theta;</mi>
      <mo>+</mo>
      <msub>
        <mi>&theta;</mi>
        <mi>c</mi>
      </msub>
      <mo>)</mo>
      <mo>]</mo>
    </mrow>
  </mfrac>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>h</mi>
    <mi>cos</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>+</mo>
    <mfrac>
      <mi>t</mi>
      <mn>2</mn>
    </mfrac>
    <mi>sin</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mi>h</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>-</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mi>cos</mi>
  <mi>&theta;</mi>
</math>
,</p>
or 

<p>
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mfrac>
    <mrow>
      <mi>&tau;</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
    <mi>w</mi>
  </mfrac>
  <mo>=</mo>
  <mfrac>
    <mrow>
      <msup>
        <mi>v</mi>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>-</mo>
      <mn>2</mn>
      <mi>g</mi>
      <mo>[</mo>
      <mi>h</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>cos</mi>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>-</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mfrac>
        <mi>t</mi>
        <mn>2</mn>
      </mfrac>
      <mi>sin</mi>
      <mi>&theta;</mi>
      <mo>]</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>g</mi>
      <mo>[</mo>
      <mi>r</mi>
      <mo>+</mo>
      <mfrac>
        <mi>t</mi>
        <mn>2</mn>
      </mfrac>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>-</mo>
        <mi>cos</mi>
        <mi>&theta;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mi>h</mi>
      <mi>sin</mi>
      <mi>&theta;</mi>
      <mo>]</mo>
    </mrow>
  </mfrac>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>h</mi>
    <mi>cos</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>+</mo>
    <mfrac>
      <mi>t</mi>
      <mn>2</mn>
    </mfrac>
    <mi>sin</mi>
    <mi>&theta;</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mi>h</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>-</mo>
  <mfrac>
    <mi>t</mi>
    <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mi>cos</mi>
  <mi>&theta;</mi>
</math>
, where we have used the trigonometric identities 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>sin</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>a</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>b</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>sin</mi>
  <mi>a</mi>
  <mi>cos</mi>
  <mi>b</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>cos</mi>
  <mi>a</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>b</mi>
<mi>&ThickSpace;</mi><mi>&ThickSpace;</mi>
</math>
and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>cos</mi>
  <mo>(</mo>
  <mi>a</mi>
  <mo>+</mo>
  <mi>b</mi>
  <mo>)</mo>
  <mo>=</mo>
  <mi>cos</mi>
  <mi>a</mi>
  <mi>cos</mi>
  <mi>b</mi>
  <mo>-</mo>
  <mi>sin</mi>
  <mi>a</mi>
  <mi>sin</mi>
  <mi>b</mi>
</math>
.</p>
</body>
</html>
