Konstruktalteori

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."

Konstruktaldesign för ett kylningssystem

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.

Några tillämpningsområden

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

Analogier mellan termodynamik och konstruktalteori

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.

Allometrisk lag för marschfart kontra kroppsmassa

Konstruktalprincipen för optimerad trädflödesarkitektur har kunnat förutsäga många allometriska lagar, till exempel:

• Kleibers lag, the proportionaliteten mellan metabolisk hastighet $q_{0}$ och kroppsstorlek $M$ upphöjt till $3/4$:

$q_{0}\sim M^{\frac {3}{4}}$

• proportionaliteten mellan andning och hjärtslagsrytm $t$ och kroppsstorlek $M$ upphöjt till $1/4$:

$t\sim M^{\frac {1}{4}}$

• kontaktarea för massöverföring $A$ och kroppsmassa $M$:

$A\sim M^{\frac {7}{8}}$

• proportionaliteten mellan den optimala marschfarten $V_{opt}$ för flygande kroppar (insekter, fåglar, flygplan) och kroppsmassa $M$ i kg upphöjt till $1/6$:

$V_{opt}\sim 30\cdot M^{\frac {1}{6}}m\cdot s^{-1}$

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

• Adrian Bejan
• Maskinteknik

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, https://web.archive.org/web/20070813001700/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.

Översättning från engelska Wikipedia.