I dossi stradali possono eccitare le frequenze degli automi?

Durante la mia ultima vacanza in bicicletta, mi è capitato di guidare su terreni sconnessi su strade che avevano strisce trasversali per segnare l'avvicinarsi di una svolta.

Le strisce sono state realizzate con vernice per strade ed erano leggermente più alte del piano stradale, in modo che il passaggio su di esse ti faccia sentire il bernoccolo.

Alla velocità che si può raggiungere in discesa, il "ta-ta-pum" ripetuto non è comodo, quindi sono stato indotto a rallentare.

Tuttavia mi chiedevo: potrebbe accadere che, per una determinata velocità della bici, la frequenza del bump risuoni con la frequenza Eigen del telaio portando a potenziali guasti catastrofici del telaio?

Di seguito sono riportati un paio di ipotetici grafici della risposta di una bicicletta all'azione di una forza motrice a una determinata frequenza.

Quello non realistico sulla sinistra è il tipo di grafico che porterebbe allo scenario della cultura pop in cui la bici si rompe a causa della risonanza. La risonanza deve essere a una frequenza piuttosto bassa per corrispondere alla frequenza dei dossi sulla strada. Lo smorzamento è molto ridotto (attrito interno nel sistema ciclista-motociclista), e questo si manifesta in due modi: (1) come ci si aspetterebbe intuitivamente, la risposta è maggiore perché l'energia non viene dissipata rapidamente in calore; (2) meno intuitivamente, rende il picco di risonanza molto stretto.

Il secondo grafico è più simile a quello che mi aspetterei da un sistema come un telaio da bici accoppiato al corpo di un pilota. Poiché il frame è un oggetto complicato, ha molte frequenze di risonanza, non solo una, e ognuna è abbastanza debole. Mi aspetto che le frequenze di risonanza siano piuttosto alte, probabilmente 100-1000 Hz e superiori, perché il frame è rigido e leggero. C'è molto smorzamento, dovuto all'accoppiamento del telaio al corpo morbido del guidatore, all'accoppiamento con le gomme e forse anche all'attrito interno nel telaio. Questo smorzamento rende le cime non molto alte e le allarga, quindi si fondono insieme.

Se vuoi alcune prove sperimentali a riguardo, prendi la bici e batti con il pugno in vari punti e in varie direzioni. (Immagino che tu voglia farlo mentre sei seduto su di esso, poiché il tuo corpo influenza il sistema con la sua massa e smorzamento.) Se ci sono risonanze nella regione audio, sentirai quelle frequenze come suono udibile. Se ci sono risonanze a bassa frequenza, le percepirai come vibrazioni. Puoi determinare la quantità di smorzamento in base alla durata della suoneria. Se suona come una campana, hai un basso smorzamento. Se si tratta di un tonfo veloce o di un "tintinnio" che cade immediatamente, hai un alto smorzamento.

Anche se si assume lo scenario peggiore del grafico a sinistra, il picco è molto stretto. (Per renderlo abbastanza alto da distruggere la bici, dobbiamo ridurre lo smorzamento in modo che la larghezza diventi molto piccola.) Ciò significa che il pericolo si verificherebbe solo in una gamma molto, molto specifica, di frequenze piccole. Penso che se molti di noi lo sperimentassero durante la guida, istintivamente rallenteremmo un po '. Ciò provocherebbe una caduta della frequenza di pilotaggio e ci porterebbe immediatamente troppo lontano dalla frequenza di risonanza per suscitare una risposta significativa.

I progettisti chiaramente non vorrebbero realizzare una bici che vibri con un basso smorzamento in risposta a una forza verticale causata da un urto sulla strada. Una bici del genere oscillerebbe su e giù per molto tempo, il che sarebbe fastidioso. Anche nel caso di una mountain bike che ha ammortizzatori, probabilmente c'è una tonnellata di smorzamento progettato negli ammortizzatori per evitare proprio questo tipo di effetto.

Una frequenza di risonanza riscontrata su una superficie stradale sarebbe per l'intero sistema della bici, ovvero telaio, ruote, pilota ecc. Il pilota è effettivamente fissato al telaio tramite elementi con proprietà di molla, smorzamento e controllo attivo (braccia e gambe). I dossi riscontrati a una frequenza specifica potrebbero far crollare il ciclista.

I telai delle biciclette sono piuttosto rigidi, quindi qualsiasi frequenza di risonanza non smorzata che hanno sarebbe relativamente alta. Di certo non a 10 Hertz circa potresti ottenere guidando su dossi stradali regolarmente distanziati.

Supponi che tutte le strutture falliscano quando eccitate a frequenze di risonanza. Questo non è chiaramente vero, altrimenti gli strumenti musicali acustici si autodistruggono quando vengono suonati. Esistono certamente strutture in cui le risonanze possono contribuire a danneggiare naturalmente le oscillazioni, ma non credo che i telai delle biciclette ne soffrano.

Esiste un fenomeno chiamato Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble che può causare una perdita di controllo della bicicletta. Una oscillazione della velocità è "un'oscillazione rapida (4-10 Hz) principalmente delle sole ruote sterzanti di un veicolo. Inizialmente, il resto del veicolo rimane per lo più inalterato, fino a quando non viene tradotto in un'oscillazione di imbardata del veicolo di ampiezza crescente che produce perdita di controllo " . Il telaio non frenerà, ma a causa della perdita di controllo potrebbe verificarsi un incidente catastrofico ad alta velocità.

La domanda è se queste strisce possano indurre queste oscillazioni e non ho una risposta per questo. Probabilmente ci sono abbastanza perturbazioni di molte frequenze presenti tutto il tempo e il problema principale è indurre l'instabilità, no per ottenere la perturbazione iniziale.

Puoi vedere un bel video di un ciclista che si fa strada traballando

La frequenza di risonanza è una caratteristica di progettazione immutabile. Ma è piuttosto improbabile che distruggerà il telaio, almeno uno da un costruttore rispettabile. Non farei la stessa affermazione per un BSO che potrebbe soffrire di saldatura debole e materiale scadente.

Ciò che hai vissuto in questo tratto di strada, tuttavia, potrebbe non essere stata la corretta risonanza del telaio ma piuttosto la risonanza del sistema bici / ciclista che provoca molto disagio. Il modo di gestirlo dipende dal tipo di bicicletta, con o senza molla. E se è scattato, regolare l'impostazione degli ammortizzatori aiuterà molto. Dopotutto fa parte del loro lavoro.

Con un telaio rigido e una forcella, la frequenza di risonanza è data dal design e dal materiale del telaio. L'unico bit che può essere modificato qui sarebbe la dimensione del pneumatico entro i limiti indicati dalla misura più grande del raccordo. E in una certa misura dalla pressione dei pneumatici.

C'è ancora la possibilità di andare molto più velocemente o molto più lentamente, come faresti su una strada ondulata con un veicolo a motore. Se hai avuto questa opportunità, significa sorvolare rapidamente le increspature o seguirle senza alcuna velocità.

Inoltre, prendi una posizione rilassata sulla tua bici. Non afferrare la barra troppo forte e sollevare leggermente il fondo per mantenere una maggiore pressione sui pedali con le pedivelle orizzontali.

(Ultimo, ma non meno importante, lo scopo di queste strisce è quello di rallentare il traffico, purtroppo tendono a causare più disagio ai ciclisti e interferire con una traiettoria sicura rispetto agli automobilisti che potrebbero essere infastiditi dal rumore.)