Können Unebenheiten Rahmeneigenfrequenzen anregen?

Während meines letzten Radurlaubs bin ich zufällig bergab auf Straßen gefahren, die Querstreifen hatten, um die Annäherung an eine Kurve zu kennzeichnen.

Die Streifen wurden mit Straßenfarbe hergestellt und waren etwas höher als das Straßenflugzeug, so dass Sie beim Weitergeben die Beule spüren.

Bei der Geschwindigkeit, die man bergab erreichen kann, ist das wiederholte "ta-ta-pum" unangenehm, so dass ich veranlasst wurde, langsamer zu fahren.

Wie auch immer, ich habe mich gefragt: Kann es passieren, dass bei einer bestimmten Geschwindigkeit des Fahrrads die Stoßfrequenz mit der Rahmen-Eigenfrequenz schwingt, was zu einem möglichen katastrophalen Rahmenversagen führt?

Im Folgenden finden Sie einige hypothetische Diagramme der Reaktion eines Fahrrads auf die Einwirkung einer Antriebskraft mit einer bestimmten Frequenz.

Das unrealistische links ist die Art von Grafik, die zu einem Popkultur-Szenario führen würde, bei dem das Fahrrad aufgrund von Resonanz auseinanderbricht. Die Resonanz muss auf einer ziemlich niedrigen Frequenz liegen, um der Frequenz der Unebenheiten auf der Straße zu entsprechen. Es gibt sehr wenig Dämpfung (innere Reibung im Radfahrersystem) und dies zeigt sich auf zwei Arten: (1) Wie Sie intuitiv erwarten, ist das Ansprechverhalten höher, da die Energie nicht schnell in Wärme umgewandelt wird. (2) Weniger intuitiv macht es die Resonanzspitze sehr schmal.

The second graph is more like what I would expect for a system like a bike frame coupled to a rider's body. Because the frame is a complicated object, it has many resonant frequencies, not just one, and each one is fairly weak. I expect that the resonant frequencies would be rather high, probably 100-1000 Hz, and higher, because the frame is stiff and light. There is a lot of damping, due to coupling of the frame to the rider's soft squishy body, coupling to the tires, and possibly also due to internal friction in the frame. This damping makes the peaks not very tall, and also makes them wide, so they blend together.

Wenn Sie experimentelle Beweise dafür haben möchten, nehmen Sie Ihr Fahrrad und schlagen Sie mit der Faust an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Richtungen darauf. (Ich nehme an, Sie möchten dies tun, während Sie darauf sitzen, da Ihr Körper das System mit seiner Masse und Dämpfung beeinflusst.) Wenn es im Audiobereich Resonanzen gibt, hören Sie diese Frequenzen als hörbaren Klang. Wenn es niederfrequente Resonanzen gibt, werden Sie diese als Vibration empfinden. Sie können die Stärke der Dämpfung daran erkennen, wie lange das Klingeln anhält. Wenn es wie eine Glocke klingelt, ist die Dämpfung niedrig. Wenn es ein schnelles Plumpsen oder "Dink" ist, das sofort abfällt, haben Sie eine hohe Dämpfung.

Selbst wenn Sie das Worst-Case-Szenario der linken Grafik annehmen, ist der Peak sehr eng. (Um es groß genug zu machen, um das Fahrrad zu zerstören, müssen wir die Dämpfung niedrig genug machen, damit die Breite sehr klein wird.) Dies bedeutet, dass die Gefahr nur in einem sehr, sehr spezifischen, kleinen Frequenzbereich auftreten würde. Ich denke, wenn die meisten von uns dies beim Reiten erleben würden, würden wir instinktiv etwas langsamer fahren. Dies würde dazu führen, dass die Antriebsfrequenz abfällt und uns sofort zu weit von der Resonanzfrequenz entfernt, um eine signifikante Reaktion zu erregen.

Die Designer würden natürlich kein Fahrrad bauen wollen, das aufgrund einer Vertikalkraft von einer Unebenheit auf der Straße mit geringer Dämpfung vibriert. Ein solches Fahrrad würde lange auf und ab pendeln, was ärgerlich wäre. Selbst bei einem Mountainbike mit Stoßdämpfern ist wahrscheinlich eine Menge Dämpfung in die Stoßdämpfer integriert, um genau diese Art von Effekt zu vermeiden.

Eine Resonanzfrequenz, die auf einer Straßenoberfläche auftritt, gilt für das gesamte Fahrradsystem, dh Rahmen, Räder, Fahrer usw. Der Fahrer wird über Elemente mit Feder-, Dämpfungs- und aktiven Steuereigenschaften (Arme und Beine) effektiv am Rahmen befestigt. Stöße, die bei einer bestimmten Frequenz auftreten, können den Fahrer abschrecken.

Fahrradrahmen sind ziemlich steif, so dass alle ungedämpften Resonanzfrequenzen relativ hoch wären. Sicher nicht bei 10 oder so Hertz, die Sie vom Fahren auf regelmäßig beabstandeten Straßenunebenheiten erhalten können.

Sie nehmen an, dass alle Strukturen versagen, wenn sie bei Resonanzfrequenzen angeregt werden. Dies ist eindeutig nicht wahr, da sich akustische Musikinstrumente sonst beim Spielen selbst zerstören würden. Es gibt sicherlich Strukturen, bei denen Resonanzen natürlich zu schädlichen Schwingungen beitragen können, aber ich glaube nicht, dass Fahrradrahmen darunter leiden.

Es gibt ein Phänomen namens Speed ​​Wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble , das zum Verlust der Kontrolle über das Fahrrad führen kann. Ein Geschwindigkeitswackeln ist "eine schnelle (4–10 Hz) Schwingung hauptsächlich des lenkbaren Rads (der lenkbaren Räder) eines Fahrzeugs. Anfangs bleibt der Rest des Fahrzeugs größtenteils unbeeinflusst, bis er in eine Fahrzeuggierschwingung mit zunehmender Amplitude umgesetzt wird, die einen Verlust erzeugt der Kontrolle " . Der Rahmen bremst nicht, aber aufgrund des Kontrollverlusts kann es zu einem katastrophalen Absturz bei hoher Geschwindigkeit kommen.

Die Frage ist, ob diese Streifen diese Schwingungen induzieren können und ich habe keine Antwort darauf. Es sind wahrscheinlich immer genug Störungen mit vielen Frequenzen vorhanden, und das Hauptproblem besteht darin, die Instabilität auszulösen, nicht die anfängliche Störung zu erhalten.

Sie können ein schönes Video von einem Radfahrer sehen, der eine Geschwindigkeitsschwankung erleidet

Die Resonanzfrequenz ist ein unveränderliches Konstruktionsmerkmal. Es ist jedoch eher unwahrscheinlich, dass dadurch der Rahmen zerstört wird, zumindest einer von einem seriösen Baumeister. Ich würde nicht die gleiche Aussage für ein BSO machen, das unter schwachem Schweißen und schlechtem Material leiden könnte.

Was Sie jedoch auf dieser Strecke erlebt haben, war möglicherweise nicht die richtige Resonanz des Rahmens, sondern die Resonanz des Systembikes / -fahrers, die viel Unbehagen verursacht. Wie damit umgegangen wird, hängt von der Art des gefederten oder ungefederten Fahrrads ab. Und wenn es gefedert ist, hilft es sehr, die Einstellung der Dämpfer anzupassen. Immerhin gehört es zu ihrem Job.

Bei einem starren Rahmen und einer Gabel ist die Resonanzfrequenz durch die Konstruktion und das Rahmenmaterial vorgegeben. Das einzige Bit, das hier geändert werden kann, ist die Reifengröße innerhalb der Grenzen, die durch die größte Passgröße vorgegeben sind. Und zum Teil durch den Reifendruck.

Es gibt immer noch die Möglichkeit, viel schneller oder viel langsamer zu fahren, wie Sie es auf einer welligen Straße mit einem Kraftfahrzeug tun würden. Wenn Sie diese Gelegenheit hatten, bedeutet dies, dass Sie entweder mit Geschwindigkeit über die Wellen fliegen oder ihnen ohne Geschwindigkeit folgen.

Nehmen Sie auch eine entspannte Position auf Ihrem Fahrrad ein. Fassen Sie die Stange nicht zu fest an und heben Sie den Boden leicht an, um mehr Druck auf die Pedale auszuüben, während die Kurbeln horizontal sind.

(Last but not least sollen diese Streifen den Verkehr verlangsamen. Leider verursachen sie den Radfahrern mehr Unbehagen und beeinträchtigen die sichere Flugbahn als die Autofahrer, die sich nur über den Lärm ärgern könnten.)