¿Qué son las leyes de escala?

Las leyes de escala son un concepto en ciencia e ingeniería. Se refiere a variables que cambian drásticamente dependiendo de la escala (tamaño) que se está considerando. Por ejemplo, si intentara construir un vehículo minero de 50 toneladas utilizando los mismos supuestos de ingeniería que un automóvil de 2 toneladas, probablemente terminaría con un vehículo que ni siquiera se ejecuta. El término "leyes de escala" a menudo aparece al considerar el diseño de una construcción que es inusualmente grande o pequeña, por lo que es necesario un pensamiento cuidadoso para extender los principios de las construcciones de tamaño típico a construcciones de tamaño inusual.

Algunas leyes de escala son simples. Por ejemplo, "para una construcción tridimensional, el volumen aumenta con el cubo de dimensiones lineales". Esto simplemente significa que por cada 10 veces aumenta en las dimensiones lineales, el volumen de la construcción aumenta en un factor de 1000. Esto es significativo para diseñar máquinas o estructuras: si quisiera duplicar la capacidad de una torre de agua, solo aumentaría sus dimensiones lineales en unas pocasdocena por ciento, en lugar de duplicarlos. Simple pero verdadero.

Hay variaciones más complejas de las leyes de escala. Algunas de las manifestaciones más interesantes de las leyes de escala se encuentran en las áreas de microtecnología y nanotecnología, donde los ingenieros deben hacer frente y explotar las propiedades inusuales resultantes de pequeñas escalas. En la microfluídica, algunas de estas propiedades inusuales incluyen flujo laminar, tensión superficial, electroondas, relajación térmica rápida, cargas de superficie eléctrica y difusión. Por ejemplo, en cámaras fluidas con tamaños menores de aproximadamente medio milímetro, el flujo es laminar, lo que significa que dos canales convergentes no pueden mezclarse a través de la turbulencia, como en la macro escala, y en su lugar deben mezclar a través de la difusión. Hay muchos otros ejemplos de leyes de escala aquí.

Cuando ciertas propiedades se conservan independientemente de la escala, se llama Invariante de la escala . Los ejemplos incluyen cualquier cosa que ocurra en todas las escalas de tamaño, incluido el fenómeno de las avalanchas, el desgaste en aisladores eléctricos, la percolación de los fluidos a través de medios desordenados y la difusión de moléculas en solución. A medida que aprendemos más sobre la física y la mecánica, descubrimos nuevos fenómenos interesantes invariantes a escala. En general, la mayoría de las propiedades físicas varían con la escala.