Med bilrutorna nere den första varma vårdagen, suget är orubbligt. Du sträcker ut armen mot vinden, spåra stadens silhuett i en naturlig rörelse någonstans mellan bad och vinka. När du rör din hand, du ändrar luftflödet. Den omdirigerade luften utövar i sin tur en kraft på din hand.

Interaktioner som detta - mellan ett vätskeflöde, som vatten eller luft, och en flexibel struktur - är allestädes närvarande i naturen. Du kan se dem i en flaxande flagga, en trädgårdsslang som sprutar vilt eller till och med den lätta irritationen hos en snarkande betydande annan.

Sådana interaktioner övervägs noggrant vid konstruktion av byggnader, broar och flygplan. Huvudskälet? En struktur kan bli fundamentalt instabil när den är nedsänkt i ett vätskeflöde, som luft eller vatten.

Denna typ av instabilitet är känd som fladdrande, och det kan orsaka katastrofalt misslyckande. Ett upprörande exempel, som tyvärr innebär förlust av ett hundliv, är kollapsen av Tacoma Narrows Bridge ("Galloping Gertie") 1940.

Som tillämpad matematiker, mitt mål är att förstå fladdrande - varför det händer, när det händer och hur man hjälper ingenjörer att stoppa det (eller få det till stånd, beroende på situationen).

Fladdrar 101

Oavsett om du någonsin har använt ordet fladdra eller inte, du har stött på fenomenet. Förhindra fladdrande i flygplanskomponenter, till exempel, utgör en viktig utmaning för en industri på flera miljarder dollar.

Ett annat relevant exempel är fladdrandet i den mänskliga mjuka gommen. Intensiv snarkning korrelerar med det allvarliga medicinska tillståndet av obstruktiv sömnapné, plågar en av 15 vuxna i USA

Till en ingenjör, fladdringsfenomenet är känt som en självexcitering. Med andra ord, under rätt förhållanden, en i sig stabil struktur kan bli instabil. Tänk tillbaka på handen som vinkar utanför bilrutan:När handen rör sig något, luftflödet ändras, trycker tillbaka på handen. Om handen svarar på denna kraft, det förändrar luftflödet igen, och så vidare.

För ett flexibelt objekt under de rätta omständigheterna, denna cykel kan bestå, vilket resulterar i en potentiellt våldsam periodisk rörelse. Det är som rörelsen hos en stämgaffel eller gitarrsträng, men i byggnadsskala, flygplansvinge eller bro.

För kontrast, överväga resonansfenomenet - som ett barn som skjuts på en gunga eller soldater som marscherar på en bro. I dessa fall en periodisk tillämpning av våld, agerar med rätt frekvens, förstärker skalan på de befintliga svängningarna. Fladdra är fundamentalt annorlunda och på något sätt mer oroande, kräver endast ett omgivande flöde och ingen cyklisk kraftpåverkan.

Närmare studie

I början av flygningen, med liten akademisk kunskap om fladdrande, piloter kunde stöta på vinge- och svansfladdrande helt enkelt genom att flyga in i en ihållande motvind på fel höjd. Ingenjörer tror nu att många tidiga flygplanskrascher var resultatet av fladdringshändelser.

Några av de första akademiska studierna av fladdrande inträffade under det kalla krigets tid, när länder upprätthöll ett intresse av att leverera raketer till varandra. Vid extrema hastigheter vid eller över ljudets hastighet, raketpanelen kunde fladdra, potentiellt destabiliserar flygbanan. Att förhindra panelfladdrande - eller åtminstone minimera dess effekt - säkerställde att en projektil hittade sin avsedda destination.

I dag, ingenjörer och forskare siktar på att ta fram sofistikerade matematiska modeller som exakt fångar fladdrande. Detta kan betyda en mängd olika saker, men, viktigast, det betyder att modellen gör förutsägelser som kan verifieras i en kontrollerad experimentell miljö. Om detta är fallet, och modellen anses vara livskraftig, ingenjörer och forskare kan producera bättre mönster med det.

Förutsäger om fladdrande uppstår, för ett givet flexibelt föremål i ett givet vätskeflöde, är vanligtvis inte problemet; enkla matematiska modeller kan ofta åstadkomma detta. Dock, Det är ännu svårare att matematiskt fånga exakt vad som händer efter att objektet blir instabilt och fladdrar börjar. Ny, mer komplexa modeller har föreslagits, men är ännu inte helt förstådda.

Till exempel, toppmoderna modeller kämpar fortfarande för att fånga fladdrandet från stora flaxande rörelser i slutet av en lång stråle-som vindstöt längs ett dykbräda. Ingenjörer och matematiker är överens om att många befintliga modeller är bristfälliga, tillhandahåller ett aktivt forskningsområde.

Nytt löfte

Dock, studien av fladdrar handlar inte bara om att förhindra katastrofer eller mer effektivt leverera raketer. Under det senaste årtiondet, ingenjörer och forskare har kommit på hur man skördar energi från vissa typer av fladdrar.

En liten metallremsa som bara är centimeter lång kan lätt exciteras av ett flöde längs dess längd, på ett sätt som är analogt med en flaxande flagga. Denna rörelse kan generera en liten mängd elektrisk kraft. En livskraftig matematisk modell kan fånga de komplexa interaktionerna i spelet och hjälpa ingenjörer att mer effektivt skörda denna energi från vardagliga källor som vind eller en rörlig bil.

Om små klipp som detta kan fladdra, då kan det generera tillräckligt med kraft för att, säga, ladda en iPhone. En dag, sådan fladdrande teknik kan hjälpa till att driva avlägsna områden och minska på batterirelaterat avfall.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.