Konstruktalteori
Från Rilpedia
Konstruktalteorin perspektivet att skapandet av design (konfiguration, mönster, geometri) i naturen är ett fysikaliskt fenomen som förenar alla levande och döda system, och att detta fenomen beskrivs av konstruktallagen: "För att ett ändligt stort (flödes-)system ska bestå i tiden (kunna leva), måste dess konfiguration förändras så att tillgängligheten ökar för de påtvingade strömmar som flödar genom det."
Innehåll |
Historia
Konstruktalteorin utvecklades av Adrian Bejan i slutet på 1990-talet.
Professor Bejan undervisade på MIT till 1976 och är nu professor i maskinteknik vid Duke University i USA. Hans forskningområden är: minimisering av entropigenerering, exergianalys, kondensering, konvektion i porösa medier, övergång till turbulens, osv.
"Konstruktal" är ett ord som myntats av Bejan (från latinets verb construere, att konstruera, bygga), för att i konstruktalteorins perspektiv beteckna naturens optimerade former såsom floder, träd och grenar, lungor, samt även de tekniskt skapade formerna som kommer från en konstruktal evolutionär process där flödestillgången i tiden optimerats.
Principer
Konstruktalteorin förutsäger till exempel att i punktyte- och punktvolymsflöden kommer det finnas tre arkitekturer. Sådana flöden flödar i huvudsak på två sätt: med högt motstånd och med lägre motstånd. Konstruktalteorin kan tillämpas både på makroskopiska och mikroskopiska system.
| Tillämpning | Flöde | Trädstruktur | Mellanrum |
|---|---|---|---|
| Elektronik | Värme | Högledande inlägg (blad, nålar) | Lågledande underlag |
| Stadstrafik | Människor | Biltrafik med lågt motstånd | Gångtrafik i stadsstrukturer |
| Flodområde | Vatten | Älvar, åar och bäckar med lågt motstånd | Darcyflöde genom porösa medium |
| Lungor | Luft | Luftvägar och bronkpassager med lågt motstånd | Diffusion i alveolvävnad |
| Blodomloppet | Blod | Ådror, artärer, vener och kapillärer med lågt motstånd | Diffusion i kapillärvävnad |
Huvudprincipen för konstruktalteorin är att varje system är och kommer förbli ofullständigt.
Det bästa som kan åstadkommas är att optimalt fördela ofullständigheterna i systemet, vilket kommer skapa utformningen av systemet.
Konstruktalsättet att fördela systemets ofullständigheter är att lägga delen med högt motstånd på systemet minsta skala.
Konstruktallagen är principen som skapar den perfekta formen, vilken är den minst ofullständiga formen som är möjlig.
Konstruktallagen
Konstruktalprincipen myntades av Bejan 1996 på följande vis: "För att ett ändligt stort (flödes-)system ska bestå i tiden (kunna leva), måste dess konfiguration förändras så att tillgängligheten ökar för de påtvingade strömmar som flödar genom det."
Termodynamisk analogi
| Termodynamik | Konstruktalteori |
|---|---|
| Tillstånd | Flödesarkitektur (geometri, struktur) |
| Process | Ändring av strukturen |
| Egenskaper | Globalt mål och globala villkor |
| Jämviktstillstånd | Arkitektur för jämviktsflöde |
| Fundamentalrelationen | Fundamentalrelationen |
| Villkorade jämviktstillstånd | Icke-jämviktsarkitekturer |
| Borttagande av villkor | Ökad frihet att morfa |
| Energiminimeringsprincip | Maximisering av flödestillgång. |
Landvinningar
Konstruktalteorin är prediktiv och kan därför testat experimentellt. Den har lyckats förutsäga ett stort antal olika fenomen.
Konstruktalprincipen för optimerad trädflödesarkitektur har kunnat förutsäga många allometriska lagar, till exempel:
- Kleibers lag, the proportionaliteten mellan metabolisk hastighet q0 och kroppsstorlek M upphöjt till 3 / 4:
- proportionaliteten mellan andning och hjärtslagsrytm t och kroppsstorlek M upphöjt till 1 / 4:
- kontaktarea för massöverföring A och kroppsmassa M:
- proportionaliteten mellan den optimala marschfarten Vopt för flygande kroppar (insekter, fåglar, flygplan) och kroppsmassa M i kg upphöjt till 1 / 6:
Bejans konstruktallag förklarar också varför vi har ett luftrörsträd med 23 förgreningsnivåer. Konstruktalteorin för flödesarkitekturen hos lungor förutsäger och försöker förklara:
- stoleken på alveoler,
- luftvägarnas totala längd,
- alveolytans totala area,
- det totala motståndet mot syretransporten i luftvägsträdet.
Se även
Externa länkar
- Constructal Theory web portal - Publikationer, arrangemang, länkar, mm.
- Unified Physics Theory Explains Animals' Running, Flying And Swimming - Artikel från Duke University.
- "A Finger on the Pulse of the World" - Artikel från Seed Magazine.
Referenser
- A. Bejan, Advanced Engineering Thermodynamics, Wiley-Interscience, 2nd edition, 896 p. ISBN 0-471-14880-6 ; 3rd edition, 2006, ISBN 0-471-67763-9.
- A. Bejan, Shape and Structure, from Engineering to Nature, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2000, 324 p. ISBN 0-521-79388-2
- Proceedings of the Symposium "Bejan’s Constructal Theory of Shape and Structure" Edited by Rui N. Rosa, A. Heitor Reis & A. F. Miguel, Centro de Geofísica de Évora, Évora Geophysics Center, Portugal, 2004, ISBN 972-9039-75-5
- A. Bejan, "Constructal theory of organization in nature: dendritic flows, allometric laws and flight", Design and Nature, CA Brebbia, L Sucharov & P Pascola (Editors). ISBN 1-85312-901-1
- A. H. Reis, A. F. Miguel, M. Aydin, "Constructal theory of flow architecture of the lungs", Journal of Medical Physics, May 2004, Volume 31, Issue 5, pp. 1135-1140.
- A. H. Reis, A. Bejan, "Constructal theory of global circulation and climate", International Journal of Heat and Mass Transfer.
- Adrian Bejan, Sylvie Lorente, La loi constructale; traduction [de l'anglais] et avant-propos d'Angèle Kremer-Marietti. - Paris ; Budapest ; Torino : l'Harmattan, DL 2005 (14-Condé-sur-Noireau : Impr. Corlet numérique). - 1 vol. (109 p.) : ill., couv. ill. ; 24 cm. - (Collection Épistémologie et philosophie des sciences). Bejan, Adrian (1948-....) Bibliogr. p. 99-109. - DLE-20050511-22456. - 530.4 (21) . - ISBN 2-7475-8417-8 (br.) : 11,50 EUR.
- Angèle Kremer-Marietti, "The constructal Principle", 2006, http://dogma.free.fr/txt/AKM-ConstructalPrinciple.htm
- Abdelkader Bachta, Jean Dhombres, Angèle Kremer-Marietti, Trois Etudes sur la loi constructale d'Adrian Bejan, Paris, L'Harmattan, 2008.
