Cây cối, rừng và tháp Eiffel hé lộ nguyên lý thiết kế của tự nhiên

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm
Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này

Đâu là điểm chung giữ cây cối và tháp Eiffel? Theo các kỹ sư tại Đại học Duke, cả hai đều tối ưu luồng lưu thông. Trong trường hợp cây cối, luồng nước từ mắt đất đi suốt thân cây đến các nhánh, cành và thoát ra ngoài không khí. Tháp Eiffel chịu luồng sức ép dọc theo kết cấu mà không bị sụp đổ bởi chính sức nặng của nó hoặc không bị đánh gục bởi gió.

Tháp Eiffel. Hình: Adrian Bejan, nguồn http://www.sciencedaily.com

Đối với phần lớn các nhà thiết kế, họ phải đảm bảo quy luật chủ yếu là mẫu thiết kế phải có khả năng chịu được sức nén cơ học (vững chắc nhờ khả năng nâng đỡ sức mạnh). Hai nguyên tắc này tương tự như dầu và nước, không thể trộn lẫn chúng với nhau.

Adrian Bejan, J.A. Jones, giáo sư Khoa thiết kế công trình tại Trường thiết kế Duke’s Pratt và đồng nghiệp Sylvie Lorente, giáo sư thiết kế công trình dân sự tại Đại học Toulouse, Pháp, đã đưa ra lý thuyết giải thích những sức mạnh kết cấu không đồng nhất có thể cùng phối hợp để tạo nên tính bền và ổn định cho công trình.

“Chúng tôi tin rằng thân cây đảm nhiệm chức năng tạo điều kiện dễ dàng cho luồng lưu thông của nước từ đất lên tới tận rìa cành lá”, Bejan nói. “Để có được khả năng này, cây được thiết kế không chỉ dựa trên ý tưởng cực đại hóa các luồng lưu thông của nước, mà còn còn là sáng tạo của thế giới thực, nó phải có khả năng chịu đựng được sức ép, sức quật của gió. Thân cây là một mẫu thiết kế thanh nhã đạt được điều đó”.

Lý thuyết cấu trúc được Bejan bắt đầu miêu tả từ năm 1996, dựa trên nguyên lý hệ thống lưu thông phải đảm bảo khả năng cân bằng và tính không hoàn hảo ở mức nhỏ nhất, giảm lực ma sát, giảm các khoang cản gió vì thế làm giảm thiểu năng lượng bị mất. Mặc dù cây cối là mô hình phổ biến được Bejan sử dụng để giải thích lý thuyết của mình, vẫn còn những mẫu khác tồn tại trong tự nhiên như các nhánh sông suối tạo nên vùng châu thổ hoặc các ống thông khí phức tạp ở phổi.

Trong hệ thống lý thuyết mới nhất của họ, các kỹ sư tập trung vào các nguyên lý cơ bản giúp giải thích các “mô hình thiết kế đang tồn tại” (designedness) của tự nhiên hoặc tại sao chúng được cấu trúc theo cách mà chúng đang tồn tại. Sử dụng lý thuyết cấu trúc, họ suy luận ra cấu trúc đặc biệt của cây cối cũng như hệ thống rễ của chúng, và vị trí của chúng trong rừng cây, như thế giới vi mô của các dòng lưu thông nước của trong tự nhiên.

Những ứng dụng mới của lý thuyết cấu trúc được xuất bản sớm trên trang trực tuyến của Tạp chí Lý thuyết Sinh vật học. Nghiên cứu của Bejan và Lorente được tài trợ bởi Cơ quan nghiên cứu Khoa học Phòng không.

“Cây cối là một kiến trúc các dòng chảy vật chất, được phát triển nhằm chịu đựng hai mục đích chính – đạt được sức bền cơ học cực đại để chống lại sức quật của gió và tối đa hóa mức lưu thông các dòng nước từ dưới đất lên suốt thân cây và ra đến tận không khí quanh rìa lá”, Bejan nói. “Ở mức độ lớn hơn, rừng cây chính là một hệ thống các dòng lưu thông có cùng chức năng và đặc tính cơ học như những cây riêng lẻ, đó là khả năng lưu thông thuận tiện các dòng nước dọc ngang khắp hệ thống”.

Do các cành phát triển xung quanh thân cây và chu vi cành nhỏ dần theo chiều dài từ gốc đến ngọn, tương ứng với tỷ lệ suy giảm của chu vi thân cây.

Gió tạt vào thân cây với nhiều tốc độ khác nhau nhưng ảnh hưởng cuối cùng có thể là cắt đứt thân, cành, bởi thế khi cây quá cao hoặc mọc ra quá nhiều cành đều bị gió chặt gãy”, Bejan nói. “Do đó hình mẫu thân là kết quả tấn công bất tận kết quả của gió”.

Quy mô và lợi ích của mô hình, như tháp Eiffel, đã báo trước lý thuyết cấu trúc, Bejan nói.

“Nếu mục đích của thân cây không dùng để vận chuyển nước, thì trông nó như ông Eiffel (Kỹ sư Gustave Eiffel), người đã không biết về điều này nhưng đã thiết kế một công trình tương ứng với lý thuyết cấu trúc mà chúng tôi đưa ra”, Bejan nửa nói thật nửa khôi hài.

Nguồn

Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này