Que sont les lois d'échelle?
Les lois d'échelle sont un concept en science et en ingénierie. Il fait référence à des variables qui changent radicalement en fonction de l'échelle (taille) considérée. Par exemple, si vous essayez de construire un véhicule minier de 50 tonnes en utilisant les mêmes hypothèses techniques qu'une voiture de 2 tonnes, vous vous retrouverez probablement avec un véhicule qui ne fonctionne même pas. Le terme "lois d'échelle" apparaît souvent lorsque l'on considère la conception d'une construction inhabituellement grande ou petite, de sorte qu'il est nécessaire de bien réfléchir pour étendre les principes de constructions de taille typique à des constructions de taille inhabituelle.
Certaines lois d'échelle sont simples. Par exemple, "pour une construction en trois dimensions, le volume augmente avec le cube de dimensions linéaires". Cela signifie simplement que pour chaque augmentation de 10 fois en dimensions linéaires, le volume de la construction est multiplié par 1000. Ceci est important pour la conception de machines ou de structures: si vous voulez doubler la capacité d'un château d'eau, vous augmentez uniquement sa dimensions linéaires de quelques dizaines de pour cent, plutôt que de les doubler. Simple mais vrai.
Il existe des variations plus complexes des lois d'échelle. Certaines des manifestations les plus intéressantes des lois d'échelle se rencontrent dans les domaines de la microtechnologie et de la nanotechnologie, où les ingénieurs doivent à la fois gérer et exploiter des propriétés inhabituelles résultant de petites échelles. En microfluidique, certaines de ces propriétés inhabituelles comprennent l'écoulement laminaire, la tension superficielle, l'électromouillage, la relaxation thermique rapide, les charges de surface électriques et la diffusion. Par exemple, dans les chambres à fluide dont la taille est inférieure à un demi-millimètre environ, le flux est laminaire, ce qui signifie que deux canaux convergents ne peuvent pas se mélanger par turbulence, comme c'est le cas à l'échelle macro, mais doivent plutôt se mélanger par diffusion. Il y a beaucoup d'autres exemples de lois d'échelle ici.
Lorsque certaines propriétés sont conservées quelle que soit l'échelle, cela s'appelle invariant d'échelle . Les exemples incluent tout ce qui se produit à toutes les échelles de taille, y compris le phénomène des avalanches, l'usure des isolateurs électriques, la percolation de fluides dans des milieux désordonnés et la diffusion de molécules en solution. À mesure que nous en apprenons davantage sur la physique et la mécanique, nous découvrons d’intéressants nouveaux phénomènes invariants à l’échelle. En général, la plupart des propriétés physiques varient avec l’échelle.