Os inchaços nas estradas podem excitar as freqüências de quadros próprios?

Durante as minhas últimas férias de bicicleta, passei pelas estradas que tinham faixas transversais para marcar a curva.

As faixas foram feitas com tinta de estrada e eram um pouco mais altas que o plano da estrada, de modo que passá-las faz você sentir o solavanco.

Na velocidade que se pode alcançar em descidas, o "ta-ta-pum" repetido não é confortável, então fui induzido a desacelerar.

No entanto, eu estava pensando: poderia acontecer que, para uma velocidade específica da bicicleta, a frequência de ressonância ressoasse com a frequência do quadro Eigen, levando a uma potencial falha catastrófica do quadro?

Abaixo estão alguns gráficos hipotéticos da resposta de uma bicicleta a ser acionada por uma força motriz em uma frequência específica.

O irrealista à esquerda é o tipo de gráfico que levaria ao cenário da cultura pop em que a bicicleta se desfaz devido à ressonância. A ressonância deve estar em uma frequência bastante baixa para coincidir com a frequência dos solavancos na estrada. Há muito pouco amortecimento (atrito interno no sistema de ciclistas), e isso se mostra de duas maneiras: (1) como seria de esperar intuitivamente, a resposta é maior porque a energia não está sendo dissipada rapidamente no calor; (2) menos intuitivamente, torna o pico da ressonância muito estreito.

O segundo gráfico é mais parecido com o que eu esperaria de um sistema como um quadro de bicicleta acoplado ao corpo de um ciclista. Como o quadro é um objeto complicado, ele possui muitas frequências ressonantes, não apenas uma, e cada uma é bastante fraca. Espero que as frequências ressonantes sejam bastante altas, provavelmente 100-1000 Hz e mais altas, porque o quadro é rígido e leve. Há muito amortecimento devido ao acoplamento do quadro ao corpo macio e macio do motociclista, ao acoplamento aos pneus e, possivelmente, também ao atrito interno no quadro. Esse amortecimento torna os picos não muito altos e também os amplos, para que se misturem.

Se você quiser alguma evidência experimental sobre isso, pegue sua bicicleta e bata nela com o punho em vários pontos e em várias direções. (Acho que você quer fazer isso enquanto está sentado, pois seu corpo afeta o sistema com sua massa e amortecimento.) Se houver ressonâncias na região do áudio, você ouvirá essas frequências como som audível. Se houver ressonâncias de baixa frequência, você as sentirá como vibração. Você pode dizer a quantidade de amortecimento com base em quanto tempo o toque sustenta. Se tocar como um sino, você tem um baixo amortecimento. Se é um baque rápido ou "dink" que cai imediatamente, você tem um grande amortecimento.

Mesmo se você assumir o pior cenário do gráfico à esquerda, o pico é muito estreito. (Para torná-lo alto o suficiente para destruir a bicicleta, é necessário reduzir o amortecimento o suficiente para que a largura se torne muito pequena.) Isso significa que o risco ocorreria apenas em uma faixa de frequências muito, muito específica e pequena. Eu acho que se a maioria de nós experimentasse isso enquanto andava, instintivamente diminuiríamos um pouco. Isso faria com que a frequência de condução caísse e nos levasse imediatamente muito longe da frequência ressonante para excitar qualquer resposta significativa.

Os projetistas claramente não gostariam de fazer uma bicicleta que vibrasse com baixo amortecimento em resposta a uma força vertical de um solavanco na estrada. Essa bicicleta oscilaria para cima e para baixo por um longo tempo, o que seria irritante. Mesmo no caso de uma bicicleta de montanha com amortecedores, provavelmente há uma tonelada de amortecimento projetada nos choques, a fim de evitar esse tipo de efeito.

Uma frequência ressonante encontrada em uma superfície da estrada seria para todo o sistema de bicicleta, como chassi, rodas, ciclista etc. O ciclista é efetivamente conectado ao quadro por elementos com mola, amortecimento e propriedades de controle ativo (braços e pernas). Solavancos encontrados em uma frequência específica podem atrapalhar o ciclista.

Os quadros de bicicleta são bastante rígidos; portanto, as frequências ressonantes não atenuadas são relativamente altas. Certamente, não aos 10 ou mais Hertz, você pode pedalar em solavancos regularmente espaçados.

Você assume que todas as estruturas falham quando excitadas em frequências ressonantes. Isso claramente não é verdade, caso contrário, os instrumentos musicais acústicos se autodestruiriam quando tocados. Certamente existem estruturas em que as ressonâncias podem contribuir para oscilações prejudiciais, é claro, mas não acho que os quadros das bicicletas sofram com isso.

Existe um fenômeno chamado Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble que pode causar uma perda de controle da bicicleta. Uma oscilação de velocidade é "uma oscilação rápida (4-10 Hz) principalmente principalmente das rodas dirigíveis de um veículo. Inicialmente, o restante do veículo permanece praticamente inalterado até ser traduzido em uma oscilação de guinada de veículo de aumento de amplitude, produzindo perda de controle " . O chassi não trava, mas devido à perda de controle, pode ocorrer um acidente catastrófico em alta velocidade.

A questão é se essas tiras podem induzir essas oscilações e eu não tenho uma resposta para isso. Provavelmente existem perturbações suficientes de muitas frequências presentes o tempo todo e o principal problema é induzir a instabilidade, não para obter a perturbação inicial.

Você pode ver um belo vídeo de um ciclista se movendo rapidamente em

A frequência de ressonância é um recurso de design imutável. Mas é bastante improvável que destrua o quadro, pelo menos um de um construtor respeitável. Eu não faria a mesma declaração para um BSO que pode sofrer com soldagem fraca e material ruim.

O que você experimentou neste trecho de estrada, no entanto, pode não ter sido a ressonância de quadro adequada, mas a ressonância da bicicleta / ciclista do sistema que causa muito desconforto. A maneira de lidar com isso depende do tipo de bicicleta, suspensa ou não. E se for acionado, ajustar a configuração dos amortecedores ajudará bastante. Afinal, faz parte do trabalho deles.

Com uma estrutura rígida e um garfo, a frequência de ressonância é dada pelo design e pelo material da estrutura. O único bit que pode ser alterado aqui seria o tamanho do pneu dentro dos limites dados pelo maior tamanho de ajuste. E até certo ponto pela pressão dos pneus.

Ainda há a opção de ir muito mais rápido ou muito mais devagar, como você faria em uma estrada de papelão com um veículo a motor. Se você teve essa oportunidade, significa sobrevoar as ondas em velocidade ou segui-las sem velocidade alguma.

Além disso, tome uma posição relaxada em sua bicicleta. Não agarre a barra com muita força e levante levemente a parte inferior para manter mais pressão nos pedais com as manivelas na horizontal.

(Por último, mas não menos importante, o objetivo dessas faixas é desacelerar o tráfego, infelizmente elas tendem a causar mais desconforto aos ciclistas e interferir em uma trajetória segura do que aos motoristas de carros que podem estar apenas irritados com o barulho.)