DESIGN ÎN NATURĂCUM GUVERNEAZĂ LEGEA CONSTRUCTALA EVOLUŢIA ÎN BIOLOGIE,FIZICĂ,TEHNOLOGIE

ŞI ORGANIZAREA SOCIALĂ

Student: LUCA-DANILIU Ștefan

Coordonatori: Prof. ȘERBAN Alexandru, Prep. NĂSTASE Gabriel

Ce este designul?

Designul reprezinta configuratia, transformarea sau asamblarea materialelor cu un scop specific,pornind astazi de la ceva anume si modificandu-l intentionat astfel incat sa fie altceva maine.

Cea mai fierbinte frontieră în ştiinţă este astăzi stimulată de designul observabil în natură: auto-organizarea, auto-optimizarea, regulile de design ale animalului, şi multe alte relaţii de scalare în geofizică, biofizică, dinamică socială, şi evoluţia tehnologiei.

Legea constructala revendica, nici mai mult, nici mai putin, ca: Tot ce misca este un sistem de curgere care evolueaza in timp; generarea si evolutia designului sunt fenomene universale. Schimbarile la care suntem martori in animale, plante, rauri, reprezinta o evolutie, creand curgeri care se misca mai usor, mai bine, mai departe etc. Designul pe care il vedem in natura- forma si structura raurilor, animale, asezari omenesti etc. – reprezinta o manifestare a acestei tendinte in natura, de generare a formei si structurii care faciliteaza curgerea.

Teoria constructală este perspectiva că generarea designului (configuraţie, ritm) în natură este un fenomen universal, exprimat de o lege a fizicii cunoscută ca legea constructală.

„Pentru ca un sistem de curgere de dimensiuni finite să persiste în timp (să trăiască) el trebuie să evolueze astfel încât să ofere acces din ce in ce mai mare curentilor care il strabat”.

Inainte de a face orice observatie in natura, putem utiliza legea constructala pentru a ne imagina cum ar trebui sa arate un plaman, vas de sange, arbore, rau sau trasnet daca ar avea libertatea sa se modifice in timp ca sa curga mai usor.

Legea constructala dicteaza sistemelor de curgere sa evolueze in timp, dobandind configuratii din ce in ce mai bune pentru a furniza mai mult acces pentru curentii care curg prin ele.

Aceasta ,,teorema’’ urmareste crearea unui design cat mai bun, acesta implicand o distributie aproape uniforma a imperfectiunilor in intregul sistem de curgere.

Un bun subiect de studiu pentru aceasta teorie este bazinul unui rau, in evolutia acestuia, configuratia constructala este curgerea arborescenta, cu echilibre fine între rezistivitate mare (difuzie, alunecare) şi rezistivitate mică (curgerea în canal). Curgerea arborescentă este designul constructal care asigură accesul eficient al curgerii între puncte, şi suprafeţe sau volume.

Arborele are complexitate finită, adică un mod anume de alocare a canalelor de curgere şi de distribuire neuniformă a lor pe suprafaţa sau în volumul disponibil. Această întreagă arhitectură este deductibilă din principiul constructal.

Structurile arborescente ale unor bazine de rauri

Vascularizat este un atribut adecvat sistemelor de curgere complexe.Vascularizaţia este peste tot, în cele însufleţite, neînsufleţite, şi ingeniate, de la muşchi şi bazinul râului până la răcirea circuitelor electronice de mare densitate .

Slaburi pătrate răcite de canale de curgere arborescente distribuite. Încălzirea intensă este uniformă şi perpendiculară pe figură.

Agentul de răcire intră prin centru şi iese prin porturi situate pe frontieră. Arhitectura vasculară are abilitatea de a distribui punctele fierbinţi mai uniform pe suprafaţa sau în volumul disponibil.

A fost demonstrat analitic faptul ca aceste vascularizari sunt considerabil superioare canalelor paralele si structurilor poroase omogene.

Viitorul apartine vascularizatului.Acest fapt este evident in cursa actuala pentru materiale inteligente cu noi functionalitati volumice,care necesita distributia continua,uniforma si ,,la cerere’’, a fluidelor prin volumul materialului.

Toate fenomenele de curgere aleg designul care le faciliteaza cel mai bine miscarile in orice clipa, spre exemplu in desenul de mai jos observam tendinta naturala de selectare a configuratiei de curgere astfel incat impulsul sa curga mai usor.

• Un obiect(trunchi de copac) pluteste pe un ocean,la interfata dintre doua mase fluide(a),(b) cu miscare relativa.Atmosfera (a) se misca cu viteza vantului Ua,in timp ce apa oceanului (b) este stationara.Impulsul curge in jos de la (a) la (b).Legea constructala indica generarea configuratiei de curgere astfel incat impulsul sa curga mai usor.Obiectul care pluteste este mecanismul prin care atmosfera (a) transfera impulsul apei oceanului(b).Fortele cu care (a) impinge (b) prin intermediul obiectului sunt F1 si F2.Pozitiile extreme ale acestui mecansim sunt (1) si (2).Configuratia selectata trebuie sa fie (1),deoarece se poate arata usor ca F1 este mai mare decat F2 atunci cand lungimea cilindrului (L) este mai mare decat diametrul sau (D).Impulsul curge de la (a) la (b) cu o viteza mai mare in configuratia (1) decat in configuratia (2).Din acest motiv iceberg-urile,valurile si toate celelalte forme ce plutesc in deriva se orienteaza perpendicular pe directia vantului.

Considerati vasele de sange din corp.Sectiunile lor transversale sunt aproape rotunde deoarece, abstractizand, sectiunea transversala circulara este,matematic, designul care opune cea mai putina rezistenta masei care curge prin el.

Utilizand legea constructala,putem prezice ca, daca ceva trece prin altceva rezulta o sectiune transversala rotunjita.

Structurile arborescente ce le vedem in natura nu sunt rezultatul intamplarii.

Ideea centrala este ca designul (configuratie, patern, ritm) poate fi dedus determinist, dintr-un principiu al fizicii.Pe aceasta cale descoperim configuratiile mai bune, semnificatia fizica a ,,mai bun”, si prezicem imaginile care sunt gasite (sau vor fi gasite) in natura.

Legea constructala are numeroase aplicatii si in lumea animala, aceasta prezice ca designul animalelor reflecta tendinta de reducere a pierderilor de energie in timpul curgerii lor.

Sa luam in considerare o pasare,daca o disecam pentru a-i examina organele interne, descoperim ca sectiunile transversale circulare ale vaselor de sange si forma inimii si muschilor sai reflecta aceasta tendinta universala de facilitare a curgerii sangelui, aerului, hranei si eforturilor.In jurul corpului sau, penele minimizeaza pierderile de caldura si frecarea astfel incat pasarea poate sa-si miste masa din ce in ce mai eficient.Sa observam ca multe pasari migreaza impreuna.Pasarile zboara in formatie in forma de ,,V” deoarece aceasta inseamna ca doar pasarea conducatoare trebuie sa zboare nepreotejata in vant.

Cele din urma ei zboara in siajul sau,unde frecarea este mai mica, facilitandu-le acestora miscarea la aceeasi viteza, dar cu efort mai mic.

Intalnim aceeasi situatie in cazul bancurilor de pesti si nu numai.

In cadrul acestei legi se prezice ca toate animalele au o forma, structura predictibila si ca nimic nu este la intamplare.

Spre exemplu, legea constructala spune ca este o corelatie stransa intre dimensiunea animalului(masa corpului sau) si miscarea sa.

Animalele mai mari sunt mai rapide,corpurile lor se unduiesc cu frecventa mai mica, si ele sunt mai puternice (adica muschii lor exercita forte mai mari) decat animalele mai mici.

Suplimentar, forta produsa de muschii inotatoarelor, alergatoarelor si zburatoarelor poate fi calculata din greutatea lor: este, pentru toate, aproximativ egala cu de doua ori greutatea lor corporala.

O observatie interesanta este ca animalele mari sunt mult mai eficiente in calitate de vehicule pentru masa lor corporala, comparativ cu animalele mici.

De exemplu, daca un elefant cantareste 1000 kg si se misca 1 km,atunci necesarul de hrana pentru 1 kg de masa transportata este proportional cu 0,0562.Daca acelasi 1 kg de masa animala este transportat pe aceeasi distanta de 100 sacali, fiecare cantarind 10 kg,atunci necesarul de hrana pentru 1 kg este proportional cu 0,383.Ceea ce conteaza este raportul dintre cele doua necesaruri de hrana,si anume 0,0562/0,383,care este aproximativ 1/7.

Concluzia este ca 1 kg de masa animala calatoreste prin intermediul elefantilor la doar 1/7 din consumul de hrana necesar pentru 1 kg transportat de sacal.

Acest exemplu furnizeaza o baza fizica teoretica pentru fenomenul efectului-de-scara observat in inginerie, economie, logistica si afaceri.

Asadar, cu cat un sistem este mai mare cu atat creste si eficienta acestuia.

In cadrul stiintei, legea constructala duce evolutia omului spre un proces de simplificare prin inlocuire: in timp, si pas cu pas, informatia empirica (masuratori, date si modele empirice complexe) este inlocuita cu enunturi rezumative mult mai mici (precum concepte, formule, relatii constitutive, principii si legi).

O ierarhie de afirmatii emerge natural deoarece faciliteaza curgerea mai usoara a informatiei.Din lipsa unor legi mai bune, cercetatorii au incercat sa inghesuie noile date in canale vechi, insa doar ideile cu adevarat originale sparg aceasta modalitate si inlocuiesc structura existenta cu una care curge mai bine. Aceasta prezice legea constructala despre evolutia stiintei.

Asa cum descoperirea legilor miscarii ne-a permis sa construim obiecte de zbor mai bune, legea constructala va stimula eforturile noastre astazi.Vom explora cum putem proiecta mai bine aeroporturi, drumuri si orase, adoptand o privire si mai dinamica asupra ierarhiei si evolutiei tehnologiei.

Principiul cheie al designului este acesta: timpul necesar miscarii rapide si la mare distanta ar trebui sa fie aproximativ egal cu timpul necesar miscarii lente si pe distanta scurta. Cand acesta intervine, curentii curg cu usurinta pe suprafata locuita de intreaga structura de curgere. Acesta este fundamentul tuturor designurilor constructale.

O cladire inalta functioneaza bine atunci cand ascensoarele sunt suficient de rapide astfel incat timpul petrecut pe verticala este comparabil cu timpul mers pe coridoare.

Burj Khalifa fiind cea mai inalta cladire din lume are nevoie si de o deplasare pe verticala rapida, tocmai de asta detine cel mai rapid lift din lume (18 m/s).

Asadar, cladirile trebuie concepute astfel incat sa respecte raportul intre timpul necesar miscarii lente si timpul necesar miscarii rapide.

Legea constructala rezuma o tendinta evolutiva, designurile simple si complexe nu sunt fenomene discrete. Ele sunt parte a unui continuum in care structurile mai mici se formeaza in interiorul si impreuna cu cele mari.

Aceste designuri simple si complexe le intalnim la tot pasul, toate avand scopul unei curgeri mai bune.

De aceea retelele stradale sunt formate din strazi principale care se ramifica in cele secundare pentru a facilita deplasarea vehiculelor.

Scopul legii constructale este de a transporta cat mai multa masa mai usor pe Pamant. Asta implica inteligenta si cunoastere de unde si zicala ,,lucreaza mai istet, nu mai intens”. Oamenii au abilitatea de a reflecta dar acestia au si calitatea de a previziona. Asta inseamna a forma imagini mentale despre cum natura ar trebui sa fie, fara a privi natura mai intai. Aceasta activitate pur mentala (a previziona) inseamna ,,teorie”, iar abilitatea de a teoretiza este de asemenea evolutiva, astfel incat, in final, miscarea noastra este facuta mai usor.

Ingineria contribuie la intelegerea designului in natura intr-un mod care celelalte stiinte nu pot.

Suntem cu totii specii om-si-masina, fiecare putin diferit de vecinii nostri, fiecare evoluand chiar acum ca un sistem de curgere pe glob, ca parte a tapiseriei globale a tuturor speciilor om-si-masina ca tine si ca mine.

Toate sistemele de curgere se imbunatatesc in timp, astfel incat descoperim evolutia motoarelor cu curgere mai buna (disipatie mai mica) si frane mai eficiente (disipatie mai mare).

Toate sistemele de curgere de pe Pamant functioneaza drept convertoare de energie utila (combustibil sau hrana) in masa miscata.

Evolutia designului motor-si-frana al naturii.Teoria constructala stabileste cum emerge si persista sistemul de curgere: prin

generarea unei arhitecturi de curgere care disipa imperfectiunile in spatiul curgerii si il inzestreaza cu configuratie. Designul mottor-si-frana al naturii este reprezentat de curgerea de energie utila (exergie) in Pamant (dreptunghiul mare), disiparea partiala a acestei curgeri in motoarele insufletite si neinsufletite (patratul mai mare), urmata de disiparea completa a curentului de energie utila care ramane in interactiunile cu mediul incojurator (franele aratate in patratul mai mic). In orice moment,toate sistemele de curgere manifesta tendinta de generare a designului potrivit teoriei constructale si de aceasta data sageata tinteste spre mai putina disipare in motoare si mai multa disipare in frane.

In final, deoarece legea constructala explica designul in natura si directia evolutiei, predictia acestei legi este ca oamenii-din ce in ce mai multi si pe suprafete din ce in ce mai mari-vor folosi aceasta descoperire puternica pentru a genera noi intelesuri ale lucrurilor care conteaza pentru ei.

Ideile bune circula si continua sa circule.Configuratiile care curg mai bine inlocuiesc configuratiile existente.Asta este viata.Asta este istoria noastra.Acesta este viitorul.

In concluzie legea constructala ne ajuta sa explicam si sa prognozam fenomene, procese, comportamente naturale dar si sa proiectam dispozitive si procese mai bune- mai rapide, mai eficiente, mai strategice.

BIBLIOGRAFIE

• Design in nature,How constructal law governs evolutionin biology, physics, technology, and social organizationCopyright © 2012 by Adrian Bejan and J. Peder ZanePublished by Anchor Books, A Division of Random House, Inc., New York

• http://culturalsflearnings.blogspot.ro/2012/02/profesorul-adrian-bejan-duke-university.html

• http://stirile.rol.ro/print/legea-romaneasca-a-lumii-viitorul-apartine-structurilor-care-curg-usor--618029.html

• http://www.natgeo.ro/dezbateri-globale/omul-si-viata/9186-natura-e-constructal• http://constructal.org/

VA MULTUMIM!!!