¿Pueden los golpes de carretera excitar las frecuencias propias de los cuadros?

Durante mis últimas vacaciones en bicicleta, pasé por las carreteras que tenían franjas transversales para marcar la aproximación de una curva.

Las rayas se hicieron con pintura de carretera, y eran ligeramente más altas que el plano de la carretera, por lo que pasar sobre ellas te hace sentir la protuberancia.

A la velocidad que uno puede alcanzar mientras está cuesta abajo, el repetido "ta-ta-pum" no es cómodo, por lo que me indujeron a reducir la velocidad.

Sin embargo, me preguntaba: ¿podría suceder que, para una velocidad particular de la bicicleta, la frecuencia de choque resuene con la frecuencia Eigen del cuadro que conduce a una posible falla catastrófica del cuadro?

A continuación hay un par de gráficos hipotéticos de la respuesta de una bicicleta a la acción de una fuerza motriz a una frecuencia particular.

El poco realista a la izquierda es el tipo de gráfico que llevaría al escenario de la cultura pop donde la bicicleta se rompe debido a la resonancia. La resonancia debe estar en una frecuencia bastante baja para que coincida con la frecuencia de los baches en el camino. Hay muy poca amortiguación (fricción interna en el sistema de ciclista), y esto se muestra de dos maneras: (1) como cabría esperar intuitivamente, la respuesta es mayor porque la energía no se disipa rápidamente en calor; (2) menos intuitivamente, hace que el pico de resonancia sea muy estrecho.

El segundo gráfico es más parecido a lo que esperaría para un sistema como un cuadro de bicicleta acoplado al cuerpo de un ciclista. Debido a que el marco es un objeto complicado, tiene muchas frecuencias resonantes, no solo una, y cada una es bastante débil. Espero que las frecuencias resonantes sean bastante altas, probablemente 100-1000 Hz, y más altas, porque el marco es rígido y ligero. Hay mucha amortiguación, debido al acoplamiento del cuadro al cuerpo blando y suave del conductor, al acoplamiento a los neumáticos, y posiblemente también debido a la fricción interna en el cuadro. Esta amortiguación hace que los picos no sean muy altos, y también los hace anchos, por lo que se mezclan.

Si desea alguna evidencia experimental sobre esto, tome su bicicleta y golpee con el puño en varios lugares y en varias direcciones. (Supongo que desea hacer esto mientras está sentado sobre él, ya que su cuerpo afecta el sistema con su masa y amortiguación). Si hay resonancias en la región de audio, escuchará esas frecuencias como sonido audible. Si hay resonancias de baja frecuencia, las sentirás como vibraciones. Puede determinar la cantidad de amortiguación en función del tiempo que dura el timbre. Si suena como una campana, tiene poca amortiguación. Si es un ruido sordo o un "dink" que se cae inmediatamente, tiene una amortiguación alta.

Incluso si asume el peor de los casos del gráfico de la izquierda, el pico es muy estrecho. (Para hacerlo lo suficientemente alto como para destruir la bicicleta, tenemos que hacer que la amortiguación sea lo suficientemente baja como para que el ancho se vuelva muy pequeño). Esto significa que el peligro ocurriría solo en un rango muy, muy específico y pequeño de frecuencias. Creo que si la mayoría de nosotros experimentara esto mientras conducíamos, instintivamente disminuiríamos un poco la velocidad. Eso provocaría que la frecuencia de conducción disminuya e inmediatamente nos aleje demasiado de la frecuencia de resonancia para provocar una respuesta significativa.

Los diseñadores claramente no querrían hacer una bicicleta que vibrara con poca amortiguación en respuesta a una fuerza vertical de un golpe en la carretera. Tal bicicleta oscilaría hacia arriba y hacia abajo durante mucho tiempo, lo que sería molesto. Incluso en el caso de una bicicleta de montaña que tiene amortiguadores, probablemente haya una tonelada de amortiguación diseñada en los amortiguadores para evitar este tipo de efecto.

Una frecuencia resonante encontrada en una superficie de la carretera sería para todo el sistema de bicicleta, es decir, cuadro, ruedas, ciclista, etc. El ciclista está unido efectivamente al cuadro a través de elementos con propiedades de resorte, amortiguación y control activo (brazos y piernas). Los golpes encontrados en una frecuencia específica pueden sacudir al jinete.

Los cuadros de bicicleta son bastante rígidos, por lo que cualquier frecuencia de resonancia no amortiguada que tengan sería relativamente alta. Ciertamente, no a 10 o más Hertz que puede obtener al andar en baches de carretera regularmente espaciados.

Asume que todas las estructuras fallan cuando se excitan a frecuencias resonantes. Esto simplemente no es cierto, de lo contrario los instrumentos musicales acústicos se autodestruirían cuando se tocan. Ciertamente, hay estructuras en las que las resonancias pueden contribuir a las oscilaciones perjudiciales, por supuesto, pero no creo que los cuadros de bicicleta sufran esto.

Existe un fenómeno llamado Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble que puede causar una pérdida de control de la bicicleta. Un bamboleo de velocidad es "una oscilación rápida (4–10 Hz) de solo las ruedas direccionables de un vehículo. Inicialmente, el resto del vehículo no se ve afectado, hasta que se traduce en una oscilación de guiñada del vehículo de amplitud creciente que produce pérdida de control " . El cuadro no se frenará, pero debido a la pérdida de control podría ocurrir un choque catastrófico a alta velocidad.

La pregunta es si esas tiras pueden inducir estas oscilaciones y no tengo una respuesta para eso. Probablemente haya suficientes perturbaciones de muchas frecuencias presentes todo el tiempo y el principal problema es inducir la inestabilidad, no obtener la perturbación inicial.

Puedes ver un bonito video de un ciclista que obtiene un bamboleo de velocidad en

La frecuencia de resonancia es una característica de diseño inmutable. Pero es bastante improbable que destruya el marco, al menos uno de un constructor acreditado. No haría la misma declaración para un BSO que podría sufrir de soldadura débil y material deficiente.

Sin embargo, lo que experimentó en este tramo de carretera podría no haber sido la resonancia adecuada del cuadro, sino más bien la resonancia del sistema bicicleta / ciclista que causa mucha incomodidad. La forma de tratarlo depende del tipo de bicicleta, con o sin suspensión. Y si se activa, ajustar la configuración de los amortiguadores ayudará mucho. Después de todo, es parte de su trabajo.

Con un cuadro rígido y una horquilla, la frecuencia de resonancia viene dada por el diseño y el material del cuadro. Lo único que se puede cambiar aquí sería el tamaño del neumático dentro de los límites dados por el tamaño de ajuste más grande. Y en cierta medida por la presión de los neumáticos.

Todavía existe la opción de ir mucho más rápido o más lento, como lo haría en una carretera corrugada con un vehículo de motor. Si ha tenido esa oportunidad, significa volar sobre las ondas a gran velocidad o seguirlas sin ninguna velocidad.

Además, tome una posición relajada en su bicicleta. No agarre la barra con demasiada fuerza y ​​levante ligeramente la parte inferior para mantener más presión sobre los pedales con las bielas horizontales.

(Por último, pero no menos importante, el propósito de estas rayas es reducir la velocidad del tráfico, desafortunadamente tienden a causar más incomodidad a los ciclistas e interferir con una trayectoria segura que a los conductores de automóviles que podrían estar molestos por el ruido).