Con i finestrini abbassati nel primo caldo giorno di primavera, l'impulso è irrefrenabile. Estendi il tuo braccio al vento, tracciando lo skyline della città in un movimento naturale a metà tra il nuoto e il saluto. Mentre muovi la mano, alterate il flusso dell'aria. L'aria reindirizzata a sua volta esercita una forza sulla tua mano.

Interazioni come questa - tra un flusso di fluido, come l'acqua o l'aria, e una struttura flessibile – sono onnipresenti in natura. Li puoi vedere in una bandiera sventolante, un tubo da giardino che spruzza selvaggiamente o anche il lieve fastidio di un altro significativo che russa.

Tali interazioni sono attentamente considerate nella progettazione degli edifici, ponti e aerei. Il motivo principale? Una struttura può diventare fondamentalmente instabile quando immersa in un flusso di fluido, come quello dell'aria o dell'acqua.

Questo tipo di instabilità è noto come flutter, e può causare guasti catastrofici. Un esempio straziante, che purtroppo comporta la perdita di una vita canina, è il crollo del ponte Tacoma Narrows ("Galloping Gertie") nel 1940.

Come matematico applicato, il mio obiettivo è capire il flutter - perché succede, quando accade e come aiutare gli ingegneri a fermarlo (o a realizzarlo, dipende dalla situazione).

Flutter 101

Che tu abbia mai usato o meno la parola flutter, hai riscontrato il fenomeno. Prevenzione del flutter nei componenti degli aeromobili, Per esempio, costituisce una sfida chiave per un'industria multimiliardaria.

Un altro esempio pertinente è il battito del palato molle umano. Il russare intenso è correlato alla grave condizione medica dell'apnea ostruttiva del sonno, che affligge un adulto su 15 negli Stati Uniti

A un ingegnere, il fenomeno del flutter è noto come autoeccitazione. In altre parole, nelle giuste condizioni, una struttura intrinsecamente stabile può diventare instabile. Ripensa alla mano che saluta fuori dal finestrino dell'auto:mentre la mano si muove leggermente, il flusso d'aria è alterato, spingendo indietro la mano. Se la mano risponde a questa forza, cambia di nuovo il flusso d'aria, e ancora e ancora.

Per un oggetto flessibile nelle giuste circostanze, questo ciclo può persistere, con conseguente movimento periodico potenzialmente violento. È come il movimento di un diapason o di una corda di chitarra, ma alla scala dell'edificio, ala o ponte di aeroplano.

Per contrasto, considera il fenomeno della risonanza – come un bambino spinto su un'altalena o soldati che marciano su un ponte. In questi casi, un'applicazione periodica della forza, agendo con la giusta frequenza, amplifica la scala delle oscillazioni esistenti. Flutter è fondamentalmente diverso e in qualche modo più sconcertante, richiede solo un flusso circostante e nessuna applicazione ciclica di forza.

Studio più approfondito

Nei primi giorni di volo, con poca conoscenza accademica di flutter, i piloti potrebbero incontrare il battito di ali e coda semplicemente volando con un vento contrario sostenuto ad un'altitudine sbagliata. Gli ingegneri ora credono che molti dei primi incidenti aerei siano stati il ​​risultato di eventi di flutter.

Alcuni dei primi studi accademici sul flutter si sono verificati nell'era della Guerra Fredda, quando i paesi hanno mantenuto l'interesse a consegnare razzi l'uno all'altro. A velocità estreme pari o superiori alla velocità del suono, il pannello del razzo potrebbe svolazzare, potenzialmente destabilizzante la traiettoria di volo. Prevenire lo sbattimento del pannello – o almeno minimizzarne l'effetto – ha assicurato che un proiettile trovasse la sua destinazione prevista.

Oggi, ingegneri e scienziati mirano a produrre modelli matematici sofisticati che catturino accuratamente il flutter. Questo può significare una varietà di cose, ma, più importante, significa che il modello fa previsioni che possono essere verificate in un ambiente sperimentale controllato. Se questo è il caso, e il modello è ritenuto praticabile, ingegneri e scienziati possono produrre progetti migliori con esso.

Prevedere se si verifica un flutter, per un dato oggetto flessibile in un dato flusso di fluido, in genere non è il problema; semplici modelli matematici spesso possono farlo. Però, è ancora più difficile catturare matematicamente con precisione ciò che accade dopo che l'oggetto diventa instabile e inizia a fluttuare. Nuovo, sono stati proposti modelli più complessi, ma non sono ancora del tutto comprese.

Per esempio, i modelli allo stato dell'arte faticano ancora a catturare il battito dei grandi movimenti di sbattimento alla fine di un lungo raggio, come le raffiche di vento lungo un trampolino. Ingegneri e matematici concordano sul fatto che molti modelli esistenti sono carenti, fornendo un'area attiva di ricerca.

Nuova promessa

Però, lo studio del flutter non riguarda solo la prevenzione delle catastrofi o il lancio più efficace di razzi. Nell'ultima decade, ingegneri e scienziati hanno scoperto come raccogliere energia da certi tipi di flutter.

Una piccola striscia metallica lunga pochi centimetri può essere facilmente eccitata da un flusso lungo la sua lunghezza, in modo analogo a una bandiera sventolante. Questo movimento può generare una piccola quantità di energia elettrica. Un modello matematico praticabile potrebbe catturare le complesse interazioni in gioco e aiutare gli ingegneri a raccogliere questa energia in modo più efficiente da fonti quotidiane come il vento o un'auto in movimento.

Se piccole clip come questa potessero svolazzare, allora potrebbe generare abbastanza energia per, dire, caricare un iPhone. Un giorno, tale tecnologia flutter potrebbe aiutare ad alimentare le aree remote e ridurre i rifiuti legati alla batteria.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.