Czy nierówności na drodze mogą wzbudzać częstotliwości własne ramek?

Podczas moich ostatnich wakacji na rowerze zdarzyło mi się zjeżdżać z góry po drogach, które miały poprzeczne pasy, aby zaznaczyć zbliżanie się do zakrętu.

Paski zostały wykonane farbą drogową i były nieco wyższe niż płaszczyzna drogi, więc przekazanie ich sprawia, że ​​czujesz nierówność.

Przy prędkości, jaką można osiągnąć podczas zjazdu powtarzane „ta-ta-pum” nie jest wygodne, więc skłoniłem się do zwolnienia.

Zastanawiałem się jednak: czy może się zdarzyć, że dla określonej prędkości motocykla częstotliwość uderzenia rezonuje z częstotliwością własną ramienia, co prowadzi do potencjalnej katastrofalnej awarii ramy?

Poniżej znajduje się kilka hipotetycznych wykresów reakcji roweru na działanie siły napędowej na określonej częstotliwości.

Nierealny po lewej to rodzaj wykresu, który doprowadziłby do scenariusza popkultury, w którym motocykl pęka z powodu rezonansu. Rezonans musi być na dość niskiej częstotliwości, aby pasował do częstotliwości nierówności na drodze. Tłumienie jest bardzo małe (tarcie wewnętrzne w systemie rowerzysty), co pokazuje się na dwa sposoby: (1) jak można się spodziewać intuicyjnie, reakcja jest wyższa, ponieważ energia nie jest szybko rozpraszana na ciepło; (2) mniej intuicyjnie, sprawia, że ​​szczyt rezonansu jest bardzo wąski.

Drugi wykres jest bardziej podobny do tego, czego oczekiwałbym od systemu takiego jak rama roweru połączona z ciałem kierowcy. Ponieważ rama jest skomplikowanym obiektem, ma wiele częstotliwości rezonansowych, a nie tylko jedną, a każda z nich jest dość słaba. Spodziewam się, że częstotliwości rezonansowe byłyby raczej wysokie, prawdopodobnie 100-1000 Hz i wyższe, ponieważ rama jest sztywna i lekka. Jest dużo tłumienia, ze względu na sprzężenie ramy z miękkim, sprężystym ciałem rowerzysty, sprzężenie z oponami, a być może również z powodu tarcia wewnętrznego w ramie. To tłumienie sprawia, że ​​szczyty nie są bardzo wysokie, a także czyni je szerokimi, więc łączą się ze sobą.

Jeśli potrzebujesz dowodów eksperymentalnych na ten temat, weź rower i uderz go pięścią w różnych miejscach i w różnych kierunkach. (Myślę, że chcesz to zrobić siedząc na nim, ponieważ twoje ciało wpływa na system swoją masą i tłumieniem.) Jeśli w obszarze audio występują rezonanse, usłyszysz te częstotliwości jako słyszalny dźwięk. Jeśli istnieją rezonanse niskiej częstotliwości, poczujesz je jako wibrację. Możesz określić wielkość tłumienia na podstawie tego, jak długo trwa dzwonienie. Jeśli dzwoni jak dzwonek, masz niskie tłumienie. Jeśli jest to szybkie uderzenie lub „dink”, który natychmiast odpadnie, masz wysokie tłumienie.

Nawet przy założeniu najgorszego scenariusza wykresu po lewej stronie szczyt jest bardzo wąski. (Aby był wystarczająco wysoki, aby zniszczyć rower, musimy zmniejszyć tłumienie na tyle, aby szerokość stała się bardzo mała.) Oznacza to, że zagrożenie wystąpiłoby tylko przy bardzo, bardzo specyficznym, małym zakresie częstotliwości. Myślę, że gdyby większość z nas doświadczyła tego podczas jazdy, instynktownie zwolnilibyśmy trochę. Spowodowałoby to spadek częstotliwości sterującej i natychmiast odciągnęłoby nas od częstotliwości rezonansowej, aby wzbudzić jakąkolwiek znaczącą odpowiedź.

Projektanci najwyraźniej nie chcieliby stworzyć roweru, który wibrowałby przy niskim tłumieniu w odpowiedzi na siłę pionową wyboistą na drodze. Taki rower oscylowałby w górę iw dół przez długi czas, co byłoby denerwujące. Nawet w przypadku roweru górskiego z amortyzatorami w amortyzatorach zapewniono tonę tłumienia, aby uniknąć takiego efektu.

Częstotliwość rezonansowa występująca na powierzchni drogi byłaby dla całego układu rowerowego, tj. Ramy, kół, jeźdźca itp. Jeździec jest skutecznie przymocowany do ramy za pomocą elementów ze sprężyną, tłumieniem i aktywną kontrolą (ramiona i nogi). Uderzenia występujące przy określonej częstotliwości mogą zepchnąć jeźdźca.

Ramy rowerowe są dość sztywne, więc wszelkie tłumione częstotliwości rezonansowe byłyby stosunkowo wysokie. Pewnie nie o 10 Hertz, którą możesz dostać, jadąc na regularnie rozmieszczonych nierównościach.

Zakładasz, że wszystkie struktury zawodzą, gdy są wzbudzane przy częstotliwościach rezonansowych. To po prostu nieprawda, w przeciwnym razie akustyczne instrumenty muzyczne ulegną samozniszczeniu podczas gry. Z pewnością istnieją struktury, w których rezonanse mogą oczywiście przyczyniać się do niszczenia oscylacji, ale nie sądzę, by cierpiały z tego powodu ramy rowerowe.

Istnieje zjawisko zwane Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble, które może powodować utratę kontroli nad rowerem. Kołysanie prędkości to „szybka (4–10 Hz) oscylacja przede wszystkim tylko sterowanego koła (kół) pojazdu. Początkowo reszta pojazdu pozostaje w większości nienaruszona, dopóki nie przełoży się na oscylację odchylenia pojazdu zwiększającą się amplitudę powodującą straty kontroli ” . Rama nie będzie hamować, ale z powodu utraty kontroli może wystąpić katastrofalne zderzenie z dużą prędkością.

Pytanie brzmi, czy te paski mogą wywołać te oscylacje i nie mam na to odpowiedzi. Prawdopodobnie cały czas występuje wiele zakłóceń wielu częstotliwości, a głównym problemem jest wywołanie niestabilności, a nie uzyskanie początkowego zaburzenia.

Możesz zobaczyć fajny film przedstawiający rowerzystę, który kołysze się z prędkością

Częstotliwość rezonansowa jest niezmienną cechą konstrukcyjną. Ale raczej mało prawdopodobne jest, że zniszczy ramę, przynajmniej jedną od renomowanego konstruktora. Nie wypowiedziałbym się tak samo w przypadku BSO, który może cierpieć z powodu słabego spawania i złego materiału.

To, czego doświadczyłeś na tym odcinku drogi, może jednak nie być właściwym rezonansem ramy, ale raczej rezonansem roweru systemowego / kierowcy, który powoduje wiele dyskomfortu. Sposób radzenia sobie z tym zależy od rodzaju roweru, sprężynowego lub nieresorowanego. A jeśli jest sprężysty, dostosowanie ustawienia amortyzatorów bardzo pomoże. W końcu jest to część ich pracy.

W przypadku sztywnej ramy i widelca częstotliwość rezonansowa zależy od konstrukcji i materiału ramy. Jedynym bitem, który można tutaj zmienić, byłby rozmiar opony w granicach podanych przez największy rozmiar dopasowania. I do pewnego stopnia przez ciśnienie w oponach.

Nadal istnieje możliwość jazdy znacznie szybciej lub wolniej, jak na falistej drodze z pojazdem silnikowym. Jeśli miałeś taką możliwość, oznacza to albo przelatowanie nad falami z dużą prędkością lub podążanie za nimi bez żadnej prędkości.

Zajmij także zrelaksowaną pozycję na rowerze. Nie chwytaj drążka zbyt mocno i nieznacznie unieś dno, aby utrzymać większy nacisk na pedały z poziomymi korbami.

(Na koniec, ale nie tylko celem tych pasów jest spowolnienie ruchu, niestety powodują one większy dyskomfort dla rowerzystów i zakłócają bezpieczną trajektorię niż kierowcom samochodów, którzy mogą być po prostu zirytowani hałasem.)