Могут ли дорожные неровности вызывать собственные частоты кадров?

Во время моего последнего велосипедного отпуска мне довелось кататься вниз по дорогам с поперечными полосами, чтобы обозначить приближающийся поворот.

Полосы были сделаны с дорожной краской, и были немного выше, чем дорожный самолет, так что проходя по ним, вы чувствуете неровности.

На скорости, которую можно достичь, находясь на спуске, повторная «та-та-пум» некомфортна, поэтому я был вынужден снизить скорость.

Однако мне было интересно: могло ли случиться так, что для некоторой конкретной скорости мотоцикла частота удара резонирует с собственной частотой рамы, приводящей к потенциальному катастрофическому отказу рамы?

Ниже приведены несколько гипотетических графиков реакции велосипеда на воздействие движущей силы на определенной частоте.

Слева нереалистичный вид графика, который привел бы к сценарию поп-культуры, где мотоцикл разваливается из-за резонанса. Резонанс должен быть на довольно низкой частоте, чтобы соответствовать частоте неровностей на дороге. Демпфирование очень мало (внутреннее трение в системе велосипедиста), и это проявляется двумя способами: (1) как и следовало ожидать, интуитивно, отклик выше, потому что энергия не быстро рассеивается в тепло; (2) менее интуитивно, это делает резонансный пик очень узким.

Второй график больше похож на то, что я ожидал бы для такой системы, как рама велосипеда, соединенная с телом гонщика. Поскольку кадр является сложным объектом, он имеет много резонансных частот, а не только одну, и каждая из них довольно слабая. Я ожидаю, что резонансные частоты будут довольно высокими, вероятно, 100-1000 Гц, и выше, потому что рамка жесткая и легкая. Существует большое демпфирование из-за сцепления рамы с мягким мягким телом водителя, сцепления с шинами и, возможно, также из-за внутреннего трения в раме. Это демпфирование делает пики не очень высокими, а также делает их широкими, чтобы они сливались вместе.

Если вам нужны экспериментальные доказательства этого, возьмите свой велосипед и постучите по нему кулаком в разных местах и ​​в разных направлениях. (Полагаю, вы хотите сделать это, сидя на нем, поскольку ваше тело воздействует на систему своей массой и демпфированием.) Если в области звука возникают резонансы, вы услышите эти частоты как слышимый звук. Если есть низкочастотные резонансы, вы будете чувствовать их как вибрацию. Вы можете определить величину демпфирования в зависимости от того, как долго длится звонок. Если он звонит как колокол, у вас низкое демпфирование. Если это быстрый грохот или «глоток», который немедленно падает, у вас высокое демпфирование.

Даже если вы предполагаете наихудший сценарий левого графика, пик очень узкий. (Чтобы сделать его достаточно высоким, чтобы уничтожить мотоцикл, мы должны сделать демпфирование достаточно низким, чтобы ширина стала очень маленькой.) Это означает, что опасность может возникнуть только в очень, очень специфическом, небольшом диапазоне частот. Я думаю, что если бы большинство из нас испытали это во время езды, мы бы немного инстинктивно замедлились. Это может привести к падению частоты возбуждения и немедленно отвести нас слишком далеко от резонансной частоты, чтобы вызвать какой-либо значительный отклик.

Дизайнеры явно не хотели бы создавать велосипед, который вибрировал бы с низким демпфированием в ответ на вертикальную силу от неровности дороги. Такой велосипед будет колебаться вверх и вниз в течение длительного времени, что будет раздражать. Даже в случае горного велосипеда с амортизаторами, вероятно, в амортизаторах заложена тонна демпфирования, чтобы избежать такого эффекта.

Резонансная частота, встречающаяся на поверхности дороги, будет для всей системы велосипеда, т.е. рамы, колес, водителя и т. Д. Водитель эффективно прикреплен к раме с помощью элементов с пружинами, демпфирующими и активными свойствами управления (руки и ноги). Удары, встречающиеся с определенной частотой, могут оттолкнуть водителя.

Велосипедные рамы довольно жесткие, поэтому любые незатухающие резонансные частоты у них будут относительно высокими. Конечно, не в 10 или около того герц вы можете получить от езды на регулярно отстоящих дорожных неровностей.

Вы предполагаете, что все структуры разрушаются при возбуждении на резонансных частотах. Это явно не соответствует действительности, иначе акустические музыкальные инструменты будут самоуничтожаться при игре. Конечно, есть структуры, где резонансы могут способствовать разрушительным колебаниям, но я не думаю, что велосипедные рамы страдают от этого.

Существует явление, которое называется Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble, которое может привести к потере контроля над велосипедом. Скоростное колебание - это «быстрое (4–10 Гц) колебание, прежде всего, только рулевого колеса (колес) транспортного средства. Первоначально остальная часть транспортного средства остается в основном незатронутой, пока не преобразуется в колебание рыскания транспортного средства с возрастающей амплитудой, приводящей к потерям. контроля " . Рама не будет тормозить, но из-за потери управления может произойти катастрофический сбой на высокой скорости.

Вопрос в том, могут ли эти полоски вызывать эти колебания, и у меня нет ответа на этот вопрос. Вероятно, имеется достаточно возмущений многих частот, присутствующих постоянно, и основная проблема состоит в том, чтобы вызвать нестабильность, а не получить начальное возмущение.

Вы можете увидеть хорошее видео о том, как велосипедист испытывает колебания скорости на

Резонансная частота является неизменной конструктивной особенностью. Но весьма маловероятно, что он разрушит кадр, по крайней мере, один из известных строителей. Я бы не стал делать то же самое в отношении BSO, который может страдать от слабой сварки и плохого материала.

Однако то, что вы испытали на этом отрезке дороги, могло быть не правильным резонансом рамы, а скорее резонансом системы велосипед / гонщик, которая вызывает много дискомфорта. Способ борьбы с ним зависит от типа велосипеда, пружинного или неподрессоренного. И если он подпружиненный, то настройка демпфера очень поможет. Ведь это часть их работы.

Для жесткой рамы и вилки резонансная частота определяется конструкцией и материалом рамы. Единственное, что здесь можно изменить, это размер шины в пределах, заданных наибольшим размером фитинга. И в какой-то степени от давления в шинах.

Еще есть возможность ехать намного быстрее или намного медленнее, как вы бы делали на волнистой дороге с автомобилем. Если у вас была такая возможность, это означает, что вы должны либо пролететь над рябью на скорости, либо следовать за ней без какой-либо скорости.

Кроме того, займите расслабленное положение на своем велосипеде. Не беритесь за планку слишком сильно и слегка приподнимите нижнюю часть, чтобы удерживать педали в горизонтальном положении.

(И последнее, но не в последнюю очередь цель этих полос состоит в том, чтобы замедлить движение транспорта, к сожалению, они, как правило, вызывают больший дискомфорт у велосипедистов и мешают безопасной траектории, чем у водителей автомобилей, которые могут быть просто раздражены шумом.)