Den usynlige kraft ved flagren - fra flystyrt til snorken til fri energi

Med bilruderne nede på den første varme forårsdag, trangen er urokkelig. Du strækker din arm ind i vinden, spore byens skyline i en naturlig bevægelse et sted mellem svømning og vinke. Når du bevæger din hånd, du ændrer luftstrømmen. Den omdirigerede luft udøver igen en kraft på din hånd.

Interaktioner som denne - mellem en væskestrøm, som vand eller luft, og en fleksibel struktur - er allestedsnærværende i naturen. Du kan se dem i et flagrende flag, en haveslange der sprøjter vildt eller endda den milde irritation fra en snorken betydelig anden.

Sådanne interaktioner overvejes nøje i design af bygninger, broer og fly. Hovedårsagen? En struktur kan blive fundamentalt ustabil, når den er nedsænket i en væskestrøm, som luft eller vand.

Denne form for ustabilitet er kendt som flutter, og det kan forårsage katastrofalt svigt. Et rystende eksempel, involverer desværre tab af et hundeliv, er sammenbruddet af Tacoma Narrows Bridge ("Galloping Gertie") i 1940.

Som anvendt matematiker, mit mål er at forstå flutter - hvorfor det sker, når det sker, og hvordan man kan hjælpe ingeniører med at stoppe det (eller få det til at fungere, afhængigt af situationen).

Flutter 101

Uanset om du nogensinde har brugt ordet flutter, du er stødt på fænomenet. Forebyggelse af flagren i flykomponenter, for eksempel, udgør en central udfordring for en industri med mange milliarder dollars.

Et andet relevant eksempel er flagren af ​​den menneskelige bløde gane. Intens snorken korrelerer med den alvorlige medicinske tilstand af obstruktiv søvnapnø, plager en ud af 15 voksne i USA

Til en ingeniør, flutter-fænomenet er kendt som en selv-excitation. Med andre ord, under de rette betingelser, en iboende stabil struktur kan blive ustabil. Tænk tilbage på hånden, der vinkede uden for bilruden:Da hånden bevæger sig let, luftstrømmen ændres, skubber tilbage på hånden. Hvis hånden reagerer på denne kraft, det ændrer luftstrømmen igen, og ved og ved.

For en fleksibel genstand under de helt rigtige omstændigheder, denne cyklus kan fortsætte, hvilket resulterer i en potentielt voldelig periodisk bevægelse. Det er som bevægelsen af ​​en stemmegaffel eller guitarstreng, men i omfanget af bygningen, flyvinge eller bro.

For kontrast, overvej resonansfænomenet - som et barn skubbet på en gynge eller soldater, der marcherer på en bro. I disse tilfælde, en periodisk anvendelse af magt, handler med den rigtige frekvens, forstærker omfanget af de eksisterende svingninger. Flutter er fundamentalt anderledes og på en eller anden måde mere foruroligende, kræver kun en omgivende strøm og ingen cyklisk anvendelse af kraft.

Nærmere undersøgelse

I begyndelsen af ​​flyvningen, med lidt akademisk viden om flutter, piloter kunne støde på vinge- og halefladder simpelthen ved at flyve ind i en vedvarende modvind i den forkerte højde. Ingeniører mener nu, at mange tidlige flyulykker var et resultat af flagren.

Nogle af de første akademiske undersøgelser af flutter fandt sted i den kolde krig, da lande fastholdt en interesse i at levere raketter til hinanden. Ved ekstreme hastigheder ved eller over lydens hastighed, raketpanelerne kunne flagre, muligvis destabiliserer flyvebanen. Forebyggelse af panelfladder - eller i det mindste minimering af dens virkning - sikrede, at et projektil fandt den tiltænkte destination.

I dag, ingeniører og forskere sigter mod at producere sofistikerede matematiske modeller, der præcist fanger flutter. Dette kan betyde en række ting, men, mest vigtigt, det betyder, at modellen laver forudsigelser, der kan verificeres i en kontrolleret eksperimentel indstilling. Hvis dette er tilfældet, og modellen anses for levedygtig, ingeniører og forskere kan producere bedre designs med det.

Forudsiger, hvis der opstår fladder, for en given fleksibel genstand i en given væskestrøm, er typisk ikke problemet; simple matematiske modeller kan ofte opnå dette. Imidlertid, det er endnu vanskeligere at matematisk fange præcis, hvad der sker, efter at objektet bliver ustabilt og flagren begynder. Ny, mere komplekse modeller er blevet foreslået, men er endnu ikke helt forstået.

For eksempel, state-of-the-art modeller kæmper stadig for at fange flagren fra store flappende bevægelser for enden af ​​en lang stråle-som vindstød i længden af ​​et dykkerbræt. Ingeniører og matematikere er enige om, at mange eksisterende modeller mangler, giver et aktivt forskningsområde.

Nyt løfte

Imidlertid, undersøgelsen af ​​flagren handler ikke kun om at forhindre katastrofer eller mere effektivt at levere raketter. I det sidste årti, ingeniører og forskere har fundet ud af, hvordan man høster energi fra visse former for flagren.

En lille metalstrimmel på bare centimeter lang kan let ophidses af et flow langs dens længde, på en måde, der er analog med et flagrende flag. Denne bevægelse kan generere en lille mængde elektrisk strøm. En levedygtig matematisk model kunne fange de komplekse interaktioner i spillet og hjælpe ingeniører mere effektivt med at høste denne energi fra hverdagskilder som vind eller en bil i bevægelse.

Hvis små klip som dette kunne flagre, så kan det generere nok strøm til, sige, oplade en iPhone. En dag, sådan flutterteknologi kan hjælpe med at drive fjerntliggende områder og reducere batterirelateret affald.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.