Met de autoruiten naar beneden op de eerste warme lentedag, de drang is onwrikbaar. Je strekt je arm uit in de wind, het traceren van de skyline van de stad in een natuurlijke beweging ergens tussen zwemmen en zwaaien. Terwijl je je hand beweegt, je verandert de luchtstroom. De omgeleide lucht oefent op zijn beurt een kracht uit op uw hand.

Interacties zoals deze – tussen een vloeistofstroom, zoals water of lucht, en een flexibele structuur - zijn alomtegenwoordig van aard. Je kunt ze zien in een wapperende vlag, een tuinslang die wild sproeit of zelfs de milde ergernis van een snurkende partner.

Dergelijke interacties worden zorgvuldig overwogen bij het ontwerp van gebouwen, bruggen en vliegtuigen. De belangrijkste reden? Een structuur kan fundamenteel onstabiel worden wanneer deze wordt ondergedompeld in een vloeistofstroom, zoals die van lucht of water.

Dit type instabiliteit staat bekend als flutter, en het kan catastrofale mislukkingen veroorzaken. Een schrijnend voorbeeld, helaas met verlies van een hondenleven, is de ineenstorting van de Tacoma Narrows Bridge ("Galloping Gertie") in 1940.

Als toegepast wiskundige mijn doel is om flutter te begrijpen - waarom het gebeurt, wanneer het gebeurt en hoe ingenieurs te helpen het te stoppen (of te bewerkstelligen, afhankelijk van de situatie).

Flutter 101

Of je nu wel of niet het woord flutter hebt gebruikt, je bent het fenomeen tegengekomen. Voorkomen van flutter in vliegtuigonderdelen, bijvoorbeeld, vormt een belangrijke uitdaging voor een miljardenindustrie.

Een ander relevant voorbeeld is het gefladder van het menselijke zachte gehemelte. Intens snurken correleert met de ernstige medische aandoening van obstructieve slaapapneu, één op de 15 volwassenen in de VS teistert

Voor een ingenieur, het flutterfenomeen staat bekend als een zelfexcitatie. Met andere woorden, onder de juiste omstandigheden, een inherent stabiele structuur kan instabiel worden. Denk terug aan de hand die buiten het autoraam zwaait:als de hand een beetje beweegt, de luchtstroom wordt gewijzigd, terug op de hand duwen. Als de hand op deze kracht reageert, het verandert de luchtstroom weer, enzovoort.

Voor een flexibel object onder precies de juiste omstandigheden, deze cyclus kan aanhouden, resulterend in een potentieel gewelddadige periodieke beweging. Het is als de beweging van een stemvork of gitaarsnaar, maar op de schaal van bouwen, vliegtuigvleugel of brug.

voor contrast, denk aan het fenomeen resonantie – zoals een kind dat op een schommel wordt geduwd of soldaten die op een brug marcheren. In deze gevallen, een periodieke toepassing van geweld, handelen met de juiste frequentie, versterkt de schaal van de bestaande oscillaties. Flutter is fundamenteel anders en op de een of andere manier meer verontrustend, alleen een omringende stroom en geen cyclische toepassing van kracht vereist.

Nader onderzoek

In de begindagen van de vlucht, met weinig academische kennis van flutter, piloten kunnen vleugel- en staartfladderen tegenkomen door simpelweg op de verkeerde hoogte tegen een aanhoudende tegenwind aan te vliegen. Ingenieurs geloven nu dat veel vroege vliegtuigcrashes het gevolg waren van fluttergebeurtenissen.

Enkele van de eerste academische studies over flutter vonden plaats in het tijdperk van de Koude Oorlog, toen landen er belang bij hielden elkaar raketten af ​​te leveren. Bij extreme snelheden op of boven de geluidssnelheid, de raketbekleding zou kunnen fladderen, mogelijk het vliegtraject destabiliseren. Door paneelfladderen te voorkomen - of in ieder geval het effect ervan te minimaliseren - vond een projectiel zijn beoogde bestemming.

Vandaag, ingenieurs en wetenschappers streven ernaar geavanceerde wiskundige modellen te produceren die flutter nauwkeurig vastleggen. Dit kan verschillende dingen betekenen, maar, het belangrijkste, het betekent dat het model voorspellingen doet die geverifieerd kunnen worden in een gecontroleerde experimentele setting. Als dit de zaak is, en het model wordt als levensvatbaar beschouwd, ingenieurs en wetenschappers kunnen er betere ontwerpen mee maken.

Voorspellen of er flutter optreedt, voor een gegeven flexibel object in een bepaalde vloeistofstroom, is meestal niet het probleem; eenvoudige wiskundige modellen kunnen dit vaak bereiken. Echter, het is zelfs nog moeilijker om wiskundig precies vast te leggen wat er gebeurt nadat het object onstabiel is geworden en het fladderen begint. Nieuw, complexere modellen zijn voorgesteld, maar nog niet helemaal begrepen.

Bijvoorbeeld, ultramoderne modellen hebben nog steeds moeite om het gefladder op te vangen van grote fladderende bewegingen aan het einde van een lange straal - zoals windvlagen langs de lengte van een duikplank. Ingenieurs en wiskundigen zijn het erover eens dat veel bestaande modellen tekortschieten, het bieden van een actief onderzoeksgebied.

Nieuwe belofte

Echter, de studie van flutter gaat niet alleen over het voorkomen van rampen of het effectiever afleveren van raketten. In het laatste decennium, ingenieurs en wetenschappers hebben ontdekt hoe ze energie kunnen oogsten uit bepaalde soorten flutter.

Een kleine metalen strook van slechts enkele centimeters lang kan gemakkelijk worden opgewonden door een stroom langs zijn lengte, op een wijze analoog aan een wapperende vlag. Deze beweging kan een kleine hoeveelheid elektrisch vermogen opwekken. Een levensvatbaar wiskundig model zou de complexe interacties die spelen kunnen vastleggen en ingenieurs helpen deze energie efficiënter te oogsten uit alledaagse bronnen zoals wind of een rijdende auto.

Als kleine clips zoals deze konden fladderen, dan kan het genoeg stroom opwekken om, zeggen, een iPhone opladen. Op een dag, dergelijke fluttertechnologie kan helpen afgelegen gebieden van stroom te voorzien en batterijgerelateerd afval te verminderen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.