Co to są prawa skalowania?

Prawa skalowania są koncepcją w nauce i inżynierii. Odnosi się do zmiennych, które zmieniają się drastycznie w zależności od rozpatrywanej skali (rozmiaru). Na przykład, jeśli spróbujesz zbudować 50-tonowy pojazd górniczy przy użyciu takich samych założeń inżynieryjnych jak 2-tonowy samochód, prawdopodobnie skończysz na pojeździe, który nawet nie jedzie. Termin „prawa skalowania” często pojawia się przy rozważaniu projektu konstruktu, który jest niezwykle duży lub mały, dlatego konieczne jest staranne przemyślenie, aby rozszerzyć zasady konstrukcji typowych rozmiarów na konstrukcje niezwykle dużych rozmiarów.

Niektóre prawa skalowania są proste. Na przykład „w przypadku konstrukcji trójwymiarowej objętość wzrasta wraz z sześcianem wymiarów liniowych”. Oznacza to po prostu, że przy każdym 10-krotnym zwiększeniu wymiarów liniowych objętość konstruktu wzrasta 1000 razy. Jest to istotne w przypadku projektowania maszyn lub konstrukcji: jeśli chcesz podwoić pojemność wieży ciśnień, zwiększysz tylko jej wymiary liniowe o kilkadziesiąt procent, zamiast ich podwajać. Proste, ale prawdziwe.

Istnieją bardziej złożone odmiany praw skalowania. Niektóre z najciekawszych przejawów praw skalowania znajdują się w obszarach mikrotechnologii i nanotechnologii, gdzie inżynierowie muszą zarówno radzić sobie z niezwykłymi właściwościami wynikającymi z niewielkich skal i je wykorzystywać. W mikroprzepływach niektóre z tych niezwykłych właściwości obejmują przepływ laminarny, napięcie powierzchniowe, elektrolitowanie, szybki relaks termiczny, elektryczne ładunki powierzchniowe i dyfuzję. Na przykład w komorach płynowych o rozmiarach mniejszych niż około pół milimetra przepływ jest laminarny, co oznacza, że ​​dwa zbieżne kanały nie mogą mieszać się przez turbulencje, jak w skali makro, i zamiast tego muszą mieszać się przez dyfuzję. Istnieje wiele innych przykładów praw skalowania.

Gdy pewne właściwości zostaną zachowane niezależnie od skali, nazywa się to niezmiennikiem skali . Przykłady obejmują wszystko, co występuje we wszystkich skalach wielkości, w tym zjawiska lawin, zużycie w izolatorach elektrycznych, przesiąkanie płynów przez nieuporządkowane media i dyfuzję cząsteczek w roztworze. Gdy dowiadujemy się więcej o fizyce i mechanice, odkrywamy ciekawe nowe zjawiska niezmienne w skali. Ogólnie rzecz biorąc, większość właściwości fizycznych różni się w zależności od skali.