Les bosses de route peuvent-elles exciter les fréquences propres de trame?

Lors de mes dernières vacances à vélo, il m'est arrivé de rouler en descendant sur des routes qui avaient des bandes transversales pour marquer l'approche d'un virage.

Les rayures ont été faites avec de la peinture routière et étaient légèrement plus hautes que le plan de la route, de sorte que leur passage vous fait sentir la bosse.

À la vitesse que l'on peut atteindre en descente, le "ta-ta-pum" répété n'est pas confortable, donc j'ai été amené à ralentir.

Cependant, je me demandais: pourrait-il arriver que, pour une vitesse particulière du vélo, la fréquence de choc résonne avec la fréquence propre du cadre, ce qui pourrait entraîner une défaillance catastrophique du cadre?

Vous trouverez ci-dessous quelques graphiques hypothétiques de la réponse d'un vélo à l'action d'une force motrice à une fréquence particulière.

L'irréaliste sur la gauche est le type de graphique qui conduirait au scénario de la culture pop où le vélo se brise en raison de la résonance. La résonance doit être à une fréquence assez basse pour correspondre à la fréquence des bosses sur la route. Il y a très peu d'amortissement (frottement interne dans le système de cycliste), et cela se manifeste de deux manières: (1) comme vous vous en doutez intuitivement, la réponse est plus élevée car l'énergie ne se dissipe pas rapidement en chaleur; (2) moins intuitivement, il rend le pic de résonance très étroit.

Le deuxième graphique ressemble plus à ce que j'attendrais pour un système comme un cadre de vélo couplé au corps d'un cycliste. Parce que le cadre est un objet compliqué, il a de nombreuses fréquences de résonance, pas seulement une, et chacune est assez faible. Je m'attends à ce que les fréquences de résonance soient plutôt élevées, probablement 100-1000 Hz et plus, car le cadre est rigide et léger. Il y a beaucoup d'amortissement, en raison du couplage du cadre au corps souple et moelleux du pilote, du couplage aux pneus, et peut-être également en raison de la friction interne dans le cadre. Cet amortissement rend les pics pas très hauts et les rend également larges, donc ils se mélangent.

Si vous voulez des preuves expérimentales à ce sujet, prenez votre vélo et frappez dessus avec votre poing dans divers endroits et dans différentes directions. (Je suppose que vous voulez le faire en étant assis dessus, car votre corps affecte le système avec sa masse et son amortissement.) S'il y a des résonances dans la région audio, vous entendrez ces fréquences sous forme de son audible. S'il y a des résonances à basse fréquence, vous les ressentirez comme des vibrations. Vous pouvez déterminer la quantité d'amortissement en fonction de la durée de la sonnerie. Si elle sonne comme une cloche, vous avez un faible amortissement. Si c'est un bruit sourd ou un "dink" rapide qui tombe immédiatement, vous avez un amortissement élevé.

Même si vous supposez le pire scénario du graphique de gauche, le pic est très étroit. (Pour le rendre assez haut pour détruire le vélo, nous devons réduire l'amortissement suffisamment bas pour que la largeur devienne très petite.) Cela signifie que le danger ne se produirait qu'à une très petite plage de fréquences très spécifique. Je pense que si la plupart d'entre nous vivaient cela en roulant, nous ralentirions instinctivement un peu. Cela entraînerait une baisse de la fréquence de conduite et nous entraînerait immédiatement trop loin de la fréquence de résonance pour exciter toute réponse significative.

Les concepteurs ne voudraient clairement pas faire un vélo qui vibrerait avec un faible amortissement en réponse à une force verticale d'une bosse sur la route. Un tel vélo oscillerait de haut en bas pendant longtemps, ce qui serait ennuyeux. Même dans le cas d'un vélo de montagne qui a des amortisseurs, il y a probablement une tonne d'amortissement conçue dans les amortisseurs afin d'éviter exactement ce genre d'effet.

Une fréquence de résonance rencontrée sur une surface de route serait pour l'ensemble du système de vélo, c'est-à-dire le cadre, les roues, le cycliste, etc. Les bosses rencontrées à une fréquence spécifique pourraient faire taire le cycliste.

Les cadres de bicyclette sont assez rigides, de sorte que toutes les fréquences de résonance non amorties dont ils disposent seraient relativement élevées. Certainement pas à environ 10 Hertz que vous pouvez obtenir en roulant sur des bosses de route régulièrement espacées.

Vous supposez que toutes les structures échouent lorsqu'elles sont excitées à des fréquences de résonance. Ce n'est manifestement pas vrai, sinon les instruments de musique acoustiques s'autodétruisent lorsqu'ils sont joués. Il existe certainement des structures où les résonances peuvent contribuer à endommager les oscillations, bien sûr, mais je ne pense pas que les cadres de vélo en souffrent.

Il existe un phénomène appelé Speed ​​wobbles https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_wobble qui peut entraîner une perte de contrôle du vélo. Une oscillation de vitesse est "une oscillation rapide (de 4 à 10 Hz) principalement de la ou des roues directrices d'un véhicule. Initialement, le reste du véhicule reste pratiquement inchangé, jusqu'à ce qu'il se traduise par une oscillation de lacet du véhicule d'une amplitude croissante produisant une perte de contrôle " . Le cadre ne freinera pas, mais en raison de la perte de contrôle, un accident catastrophique à grande vitesse pourrait se produire.

La question est de savoir si ces bandes peuvent induire ces oscillations et je n'ai pas de réponse à cela. Il y a probablement suffisamment de perturbations de nombreuses fréquences présentes tout le temps et le principal problème est d'induire l'instabilité, non d'obtenir la perturbation initiale.

Vous pouvez voir une belle vidéo d'un cycliste se faisant osciller à

La fréquence de résonance est une caractéristique de conception immuable. Mais il est peu probable que cela détruise le cadre, au moins un d'un constructeur réputé. Je ne ferais pas la même déclaration pour un BSO qui pourrait souffrir d'une soudure faible et d'un matériau médiocre.

Cependant, ce que vous avez vécu sur ce tronçon de route n'a peut-être pas été la résonance du cadre, mais plutôt la résonance du système vélo / cycliste qui provoque beaucoup d'inconfort. La façon de le gérer dépend du type de vélo, suspendu ou non. Et si elle est suspendue, le réglage du réglage des amortisseurs aidera beaucoup. Après tout, cela fait partie de leur travail.

Avec un cadre et une fourche rigides, la fréquence de résonance est donnée par la conception et le matériau du cadre. Le seul bit qui peut être changé ici serait la taille du pneu dans les limites données par la plus grande taille de montage. Et dans une certaine mesure par la pression des pneus.

Il y a toujours la possibilité d'aller beaucoup plus vite ou beaucoup plus lentement, comme vous le feriez sur une route ondulée avec un véhicule à moteur. Si vous avez eu cette opportunité, cela signifie soit survoler les ondulations à grande vitesse, soit les suivre sans aucune vitesse.

Prenez également une position détendue sur votre vélo. Ne saisissez pas la barre trop serrée et soulevez légèrement votre bas pour maintenir plus de pression sur les pédales avec les manivelles horizontales.

(Enfin et surtout, le but de ces bandes est de ralentir la circulation, malheureusement elles ont tendance à causer plus d'inconfort aux cyclistes et à gêner une trajectoire sûre qu'aux conducteurs de voitures qui pourraient être ennuyés par le bruit.)