Con las ventanillas del coche bajadas el primer día cálido de primavera, el impulso es inquebrantable. Extiendes tu brazo hacia el viento, trazar el horizonte de la ciudad en un movimiento natural en algún lugar entre nadar y saludar. Mientras mueves tu mano altera el flujo del aire. El aire redirigido a su vez ejerce una fuerza sobre tu mano.

Interacciones como esta:entre un flujo de fluido, como el agua o el aire, y una estructura flexible - son de naturaleza ubicua. Puedes verlos en una bandera ondeando una manguera de jardín rociando violentamente o incluso la leve molestia de un ser querido que ronca.

Tales interacciones se consideran cuidadosamente en el diseño de edificios, puentes y aviones. ¿La principal razón? Una estructura puede volverse fundamentalmente inestable cuando se sumerge en un flujo de fluido, como la del aire o el agua.

Este tipo de inestabilidad se conoce como aleteo, y puede causar fallas catastróficas. Un ejemplo desgarrador, lamentablemente implica la pérdida de una vida canina, es el colapso del puente Tacoma Narrows ("Galloping Gertie") en 1940.

Como matemático aplicado, mi objetivo es comprender el aleteo:por qué sucede, cuándo sucede y cómo ayudar a los ingenieros a detenerlo (o lograrlo, dependiendo de la situación).

Flutter 101

Ya sea que hayas usado o no la palabra aleteo, te has encontrado con el fenómeno. Prevenir el aleteo en los componentes de la aeronave, por ejemplo, constituye un desafío clave para una industria multimillonaria.

Otro ejemplo pertinente es el aleteo del paladar blando humano. Los ronquidos intensos se correlacionan con la grave condición médica de la apnea obstructiva del sueño, plaga a uno de cada 15 adultos en los EE. UU.

A un ingeniero, el fenómeno de aleteo se conoce como autoexcitación. En otras palabras, en las condiciones adecuadas, una estructura inherentemente estable puede volverse inestable. Piense en la mano que agita fuera de la ventanilla del automóvil:a medida que la mano se mueve ligeramente, el flujo de aire está alterado, empujando hacia atrás en la mano. Si la mano responde a esta fuerza, vuelve a cambiar el flujo de aire, y así sucesivamente.

Para un objeto flexible en las circunstancias adecuadas, este ciclo puede persistir, resultando en un movimiento periódico potencialmente violento. Es como el movimiento de un diapasón o una cuerda de guitarra, pero a la escala del edificio, ala de avión o puente.

Por contraste, considere el fenómeno de la resonancia, como un niño empujado en un columpio o soldados marchando sobre un puente. En estos casos, una aplicación periódica de fuerza, actuando con la frecuencia adecuada, amplifica la escala de las oscilaciones existentes. Flutter es fundamentalmente diferente y de alguna manera más desconcertante, requiriendo solo un flujo circundante y sin aplicación cíclica de fuerza.

Estudio más detenido

En los primeros días del vuelo, con poco conocimiento académico de aleteo, los pilotos podrían encontrar aleteo de alas y cola simplemente volando con un viento en contra sostenido a la altitud incorrecta. Los ingenieros ahora creen que muchos de los primeros choques de aviones fueron el resultado de eventos de aleteo.

Algunos de los primeros estudios académicos sobre el aleteo ocurrieron en la era de la Guerra Fría, cuando los países mantuvieron el interés en lanzar cohetes entre sí. A velocidades extremas iguales o superiores a la velocidad del sonido, los paneles del cohete podrían revolotear, potencialmente desestabilizando la trayectoria del vuelo. Evitar el aleteo del panel, o al menos minimizar su efecto, aseguró que un proyectil encontrara su destino previsto.

Hoy dia, Los ingenieros y científicos tienen como objetivo producir modelos matemáticos sofisticados que capturen con precisión el aleteo. Esto puede significar una variedad de cosas, pero, Más importante, significa que el modelo hace predicciones que pueden verificarse en un entorno experimental controlado. Si este es el caso, y el modelo se considera viable, los ingenieros y científicos pueden producir mejores diseños con él.

Predecir si se produce un aleteo, para un objeto flexible dado en un flujo de fluido dado, normalmente no es el problema; los modelos matemáticos simples a menudo pueden lograr esto. Sin embargo, es aún más difícil capturar matemáticamente con precisión lo que sucede después de que el objeto se vuelve inestable y comienza el aleteo. Nuevo, se han propuesto modelos más complejos, pero aún no se comprenden completamente.

Por ejemplo, Los modelos de última generación todavía luchan por capturar el aleteo de los grandes movimientos de aleteo al final de una viga larga, como ráfagas de viento a lo largo de un trampolín. Los ingenieros y matemáticos están de acuerdo en que muchos modelos existentes son deficientes, proporcionando un área activa de investigación.

Nueva promesa

Sin embargo, el estudio del aleteo no se trata solo de prevenir catástrofes o lanzar cohetes de manera más efectiva. En la ultima década, Los ingenieros y científicos han descubierto cómo recolectar energía de ciertos tipos de aleteo.

Una pequeña tira metálica de solo centímetros de largo se puede excitar fácilmente mediante un flujo a lo largo de su longitud, de manera análoga a una bandera ondeante. Este movimiento puede generar una pequeña cantidad de energía eléctrica. Un modelo matemático viable podría capturar las complejas interacciones en juego y ayudar a los ingenieros a recolectar de manera más eficiente esta energía de fuentes cotidianas como el viento o un automóvil en movimiento.

Si pequeños clips como este pudieran revolotear, entonces podría generar suficiente energía para, decir, cargar un iPhone. Un día, tal tecnología de aleteo podría ayudar a alimentar áreas remotas y reducir el desperdicio relacionado con las baterías.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.