以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
在春季第一个温暖的日子里，当车窗摇下时，这种冲动是无法抑制的。你将手臂伸向风中，以一种介于游泳和挥手之间的自然动作，描绘着城市的天际线。当你移动你的手时，你改变了空气的流动。被重定向的空气反过来对手施加力。
像这样的相互作用——流体流动（如水或空气）与柔性结构之间——在自然界中无处不在。你可以在飘扬的旗帜、疯狂喷洒的花园软管，甚至是在轻微恼人的打鼾的伴侣身上看到它们。
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在建筑物、桥梁和飞机的设计中，会仔细考虑此类相互作用。主要原因是什么？当结构浸入流体流动（如空气或水）中时，可能会变得根本不稳定。
这种类型的不稳定性被称为颤振，它可能导致灾难性故障。一个令人痛心的例子，可悲的是涉及一条犬类生命的丧失，是塔科马海峡吊桥（“疾驰的格蒂”）在1940年的倒塌。
作为一名应用数学家，我的目标是理解颤振——它为什么发生，何时发生，以及如何帮助工程师阻止它（或在某些情况下促成它）。
颤振 101
无论您是否曾经使用过“颤振”这个词，您都遇到过这种现象。防止飞机部件发生颤振，例如，构成了价值数千亿美元的行业的关键挑战。
另一个相关的例子是人类软腭的颤振。严重的打鼾与阻塞性睡眠呼吸暂停这种严重的疾病有关，困扰着美国十五分之一的成年人。
对于工程师来说，颤振现象被称为自激。换句话说，在合适的条件下，本质上稳定的结构可能会变得不稳定。回想一下在车窗外挥手的情景：当手稍微移动时，气流会发生改变，反过来推动手。如果手对这种力做出反应，它会再次改变气流，如此反复。
对于处于恰当环境下的柔性物体，这种循环可能会持续存在，导致潜在的剧烈周期性运动。这就像音叉或吉他弦的运动，但规模却达到建筑物、飞机机翼或桥梁的级别。
为了进行对比，请考虑共振现象——就像孩子在秋千上被推动，或者士兵在桥上行军。在这些情况下，周期性的力施加，以正确的频率作用，放大了现有振荡的规模。颤振从根本上是不同的，而且在某种程度上更令人不安，它只需要周围的流动，而不需要周期性的力施加。
更深入的研究
在飞行的早期，由于对颤振的学术知识匮乏，飞行员可能会遇到机翼和尾翼颤振，仅仅是因为在错误的高度飞入持续的逆风中。工程师现在认为，许多早期的飞机坠毁事故是颤振事件造成的。
一些最早的颤振学术研究发生在冷战时期，当时各国对相互投射火箭弹保持着兴趣。在音速或超音速的极端速度下，火箭的壁板可能会颤振，从而可能破坏飞行轨迹。防止壁板颤振——或至少最大限度地减少其影响——确保弹丸能够找到其预定目标。
今天，工程师和科学家旨在开发能够准确捕捉颤振的复杂数学模型。这可能意味着很多事情，但最重要的是，这意味着该模型可以做出可以在受控实验环境中验证的预测。如果情况如此，并且该模型被认为是可行的，那么工程师和科学家可以使用它来产生更好的设计。
预测颤振是否发生，对于给定流体流动中的给定柔性物体，通常不是问题；简单的数学模型通常可以完成这项任务。然而，更困难的是在数学上精确地捕捉物体变得不稳定并且颤振开始后会发生什么。已经提出了新的、更复杂的模型，但尚未完全理解。
例如，最先进的模型仍然难以捕捉长梁末端的大幅拍动运动（如沿跳水板长度方向的阵风）引起的颤振。工程师和数学家一致认为，许多现有模型存在缺陷，这是一个活跃的研究领域。
新的希望
然而，对颤振的研究不仅仅是为了预防灾难或更有效地投射火箭弹。在过去的十年中，工程师和科学家已经弄清楚如何从某些类型的颤振中收集能量。
一小段只有几厘米长的金属条很容易被沿其长度方向的流动激发，方式类似于飘扬的旗帜。这种运动可以产生少量的电力。一个可行的数学模型可以捕捉到其中复杂的相互作用，并帮助工程师更有效地从日常来源（如风或行驶的汽车）中收集这种能量。
如果像这样的小夹子可以颤振，那么它可能会产生足够的电力来为例如 iPhone 充电。有一天，这种颤振技术可能有助于为偏远地区供电并减少与电池相关的浪费。
本文最初发表于The Conversation。阅读原始文章。