Avec les vitres de la voiture baissées le premier jour chaud du printemps, l'envie est inébranlable. Vous étendez votre bras dans le vent, traçant l'horizon de la ville dans un mouvement naturel quelque part entre nager et onduler. En bougeant la main, vous modifiez le flux d'air. L'air redirigé exerce à son tour une force sur votre main.

Des interactions comme celle-ci - entre un écoulement de fluide, comme l'eau ou l'air, et une structure flexible – sont de nature omniprésente. Vous pouvez les voir dans un drapeau flottant, un tuyau d'arrosage pulvérisant sauvagement ou même le léger agacement d'un autre significatif qui ronfle.

De telles interactions sont soigneusement prises en compte dans la conception des bâtiments, ponts et avions. La raison principale ? Une structure peut devenir fondamentalement instable lorsqu'elle est immergée dans un écoulement fluide, comme celle de l'air ou de l'eau.

Ce type d'instabilité est connu sous le nom de flutter, et cela peut provoquer une défaillance catastrophique. Un exemple déchirant, impliquant malheureusement la perte d'une vie canine, est l'effondrement du pont Tacoma Narrows ("Galloping Gertie") en 1940.

En tant que mathématicien appliqué, mon objectif est de comprendre le flutter - pourquoi cela se produit, quand cela se produit et comment aider les ingénieurs à l'arrêter (ou à le provoquer, Dépendant de la situation).

Flottement 101

Que vous ayez déjà utilisé le mot flutter, vous avez rencontré le phénomène. Prévention du flottement dans les composants d'avions, par exemple, constitue un défi majeur pour une industrie de plusieurs milliards de dollars.

Un autre exemple pertinent est le battement du palais mou humain. Le ronflement intense est en corrélation avec l'état médical grave de l'apnée obstructive du sommeil, afflige un adulte sur 15 aux États-Unis

A un ingénieur, le phénomène de flottement est connu sous le nom d'auto-excitation. En d'autres termes, dans les bonnes conditions, une structure intrinsèquement stable peut devenir instable. Souvenez-vous de la main qui agite à l'extérieur de la vitre de la voiture :lorsque la main bouge légèrement, le débit d'air est altéré, repousser la main. Si la main répond à cette force, ça change à nouveau le débit d'air, et ainsi de suite.

Pour un objet flexible dans les bonnes circonstances, ce cycle peut persister, entraînant un mouvement périodique potentiellement violent. C'est comme le mouvement d'un diapason ou d'une corde de guitare, mais à l'échelle du bâtiment, aile d'avion ou pont.

Pour le contraste, Considérez le phénomène de résonance – comme un enfant poussé sur une balançoire ou des soldats marchant sur un pont. Dans ces cas, une application périodique de la force, agissant avec la bonne fréquence, amplifie l'échelle des oscillations existantes. Flutter est fondamentalement différent et en quelque sorte plus déconcertant, ne nécessitant qu'un flux environnant et aucune application cyclique de force.

Étude plus approfondie

Aux premiers jours du vol, avec peu de connaissances académiques en flutter, les pilotes pourraient rencontrer des battements d'aile et de queue simplement en volant dans un vent de face soutenu à la mauvaise altitude. Les ingénieurs pensent maintenant que de nombreux premiers accidents d'avion étaient le résultat d'événements de flottement.

Certaines des premières études universitaires sur le flutter ont eu lieu à l'époque de la guerre froide, lorsque les pays maintenaient un intérêt à se livrer des roquettes les uns aux autres. À des vitesses extrêmes égales ou supérieures à la vitesse du son, les panneaux de fusée pourraient flotter, potentiellement déstabiliser la trajectoire de vol. Empêcher le flottement du panneau - ou du moins minimiser son effet - garantissait qu'un projectile a trouvé sa destination prévue.

Aujourd'hui, les ingénieurs et les scientifiques visent à produire des modèles mathématiques sophistiqués qui capturent avec précision le flutter. Cela peut signifier une variété de choses, mais, le plus important, cela signifie que le modèle fait des prédictions qui peuvent être vérifiées dans un cadre expérimental contrôlé. Si c'est le cas, et le modèle est jugé viable, les ingénieurs et les scientifiques peuvent produire de meilleures conceptions avec.

Prédire si un flottement se produit, pour un objet souple donné dans un écoulement de fluide donné, n'est généralement pas le problème ; des modèles mathématiques simples peuvent souvent accomplir cela. Cependant, il est encore plus difficile de capturer mathématiquement avec précision ce qui se passe une fois que l'objet devient instable et que le flottement commence. Nouveau, des modèles plus complexes ont été proposés, mais ne sont pas encore complètement compris.

Par exemple, les modèles à la pointe de la technologie ont encore du mal à capturer le flottement des grands mouvements de battement à la fin d'un long faisceau - comme des rafales de vent le long d'un plongeoir. Ingénieurs et mathématiciens s'accordent à dire que de nombreux modèles existants sont déficients, offrant un domaine de recherche actif.

Nouvelle promesse

Cependant, l'étude du flottement ne consiste pas seulement à prévenir des catastrophes ou à livrer plus efficacement des fusées. Au cours de la dernière décennie, les ingénieurs et les scientifiques ont découvert comment récupérer l'énergie de certains types de flottement.

Une petite bande métallique de quelques centimètres de long peut être facilement excitée par un écoulement sur sa longueur, d'une manière analogue à un drapeau battant. Ce mouvement peut générer une petite quantité d'énergie électrique. Un modèle mathématique viable pourrait capturer les interactions complexes en jeu et aider les ingénieurs à récolter plus efficacement cette énergie à partir de sources quotidiennes comme le vent ou une voiture en mouvement.

Si de petits clips comme celui-ci pouvaient flotter, alors il pourrait générer suffisamment d'énergie pour, dire, charger un iPhone. Un jour, une telle technologie de flottement pourrait aider à alimenter des zones reculées et à réduire les déchets liés aux batteries.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.