Quali sono leggi di scala?

Le leggi di scala sono un concetto in scienza e ingegneria. Si riferisce a variabili che cambiano drasticamente a seconda della scala (dimensione) di essere considerato. Ad esempio, se si è tentato di costruire un veicolo minerario da 50 tonnellate con le stesse ipotesi di ingegneria come una macchina di 2 tonnellate, si sarebbe probabilmente finire con un veicolo che non ha nemmeno correre. Il termine "leggi di scala" appare spesso quando si considera la progettazione di un costrutto che è insolitamente grande o piccolo, in modo che il pensiero attento è necessario estendere i principi di costrutti tipici dimensioni a costrutti insolitamente dimensioni.

Alcune leggi di scala sono semplici. Per esempio, "per un costrutto tridimensionale, volume aumenta con il cubo di dimensioni lineari." Questo significa semplicemente che per ogni 10 volte aumento delle dimensioni lineari, volume aumenta del costrutto di un fattore di 1000. Ciò è significativo per la progettazione di macchine o strutture: se si vuole raddoppiare la capacità di una torre d'acqua, ci si aumenta solo la sua dimensioni lineari da qualche decina percentuale, piuttosto che raddoppiare. Semplice ma vero.

Ci sono variazioni più complessi di leggi di scala. Alcune delle manifestazioni più interessanti di leggi di scala si stanno trovando nei settori della microtecnologia e nanotecnologia, dove gli ingegneri devono entrambi affrontare e sfruttare le proprietà insolite derivanti da piccole squame. In microfluidica, alcune di queste proprietà insolite includono flusso laminare, tensione superficiale, elettrowetting, veloce rilassamento termico, cariche superficiali elettriche, e diffusione. Per esempio, in camere per fluido con dimensioni inferiori a circa mezzo millimetro, il flusso è laminare, il che significa che due canali convergenti non possono mescolare attraverso turbolenze, come il macro-scala, e devono invece mescolare per diffusione. Ci sono molti altri esempi di leggi di scala qui.

Quando alcune proprietà vengono mantenute indipendentemente dalla scala, è chiamato scala invariante. Esempi includono tutto ciò che si verifica su tutte le scale dimensioni, compreso il fenomeno di valanghe, usura in isolatori elettrici, percolazione di fluidi attraverso mezzi disordinati, e la diffusione delle molecole in soluzione. Come si impara di più sulla fisica e la meccanica, scopriamo nuovi fenomeni di scala-invariante interessanti. In generale, la maggior parte delle proprietà fisiche variano con la scala.