Thuyết giải thích sự hoàn hảo của thiên nhiên

05:43 CH @ Thứ Ba - 12 Tháng Mười Hai, 2006

Các phương trình đã chứng tỏ: thiên nhiên đã tạo ra các hình dạng... tuyệt hảo. Giờ dây con người cũng có thể đạt được trình độ tuyệt hảo này. Học thuyết mới của một nhà nhiệt động học tên tuổi người Mỹ chính là chìa khoá để có thể làm ra sự hoàn hão đó, dù nó là đổ vật, máy móc, nhà của hay là có một hệ thống. Thuyết constructal dù còn được ít người biết đến nhưng đang hứa hẹn một cuộc cách mạng trong nghề kỹ sư và làm thay đổi cái nhìn của chúng ta về thế giới.

Chìa khóa của sự hoàn hảo

Tìm ra sự hoàn hảo của một hệ thống để có thể làm việc một cách tối ưu nhất, đó là giấc mơ của bết cứ người kỹ sư nào. Lý thuyết của một nhà nghiên cứu người Mỹ đang hứa hẹn biến điều này thành hiện thực.

Làm thế nào để thiết kế được sơ đồ tốt nhất cho hệ thống làm lạnh, hệ thống phân phối khí sưởi hoặc chế tạo vòi sen sao cho nó hoạt động hiệu quả nhất. Điều này quả là chẳng đơn giản. Chỉ có khi phải đối mặt với trang giấy trắng với nhiệm vụ sáng tạo ra một hình dạng mới thì người kỹ sư mới có cảm giác của một nghệ sĩ. Nếu không có phương pháp lý tính thì anh ta chỉ có thể dựa trên trực giác của cá nhân, bắt chước những ý tưởng đã có từ trước hoặc đưa ra các phép thử liên tiếp, gặp những thất bại rồi mới có thể dẫn tới kết quả nghiên cứu mong muốn. Anh ta chẳng có cách nào khác ngoài lao vào sự ngẫu nhiên trong các phác thảo, để rồi thử từng cái một và chọn ra cái tốt nhất... mà không có bất cứ một đảm bảo nào rằng chính sự lựa chọn là phương án tối ưu nhất. Đó là thời trước AdrianBejan. Còn bây giờ theo ông đã là lúc các kỹ sư thiết kế bước từ lĩnh vực nghệ thuật sang lĩnh vực khoa học. Từ năm 1995 nhà nghiên cứu người Mỹ này đã phát triển một phương pháp đơn giản, logic và hiệu quả để có thể vẽ một cách chính xác các bản thiết kế máy móc hoàn hảo nhất. Đó chính là thuyết constructal, tạm dịch là thuyết cấu trúc xây dựng.

Nếu như lý thuyết này tỏ ra rất tham vọng thì những gì liên quan tới tác giả của nó lại rất ấn tượng. Sinh ở Rumani vào năm 1948 và di cư tới Mỹ khi 19 tuổi, Adrian Bejan được đào tạo tại Viện Công nghệ Masachussets (MIT) danh tiếng. Giáo sư thiết kế máy móc của trường Duke ở phía bắc Caroline, ông đã nhận dược nhiều giải thưởng khoa học. Ông cũng là Giáo sư danh dự của 11 trường Đại học khác nhau trên thế giới trong đó có trường Đại học Nancy, nơi ông được giới thiệu như một "nhà khoa học tiên phong trên thế giới trong các lĩnh vực nhiệt lượng và cấu tạo các dòng chảy". Chính những lĩnh vực này giúp ông xây dựng lên thuyết cấu trúc xây dựng với một ghi nhận cũng khá bình thường: bất cứ nhiệt, dòng điện nước hay bất cứ chất lỏng nào chảy trong một mạch, một hệ thống đều bắt buộc phải gặp những lực cản trở, sự cọ xát và hạn chế của đường truyền khiến năng lượng của chúng bị dẫn tới những nơi không thể khai thác được. Ngành nhiệt động lực từ lâu đã coi sự phân tán năng lượng này như là một điều tất yếu và gọi là entropi.

Phân phối sự không hoàn hảo

Lấy ví dụ là một hệ thống làm lạnh ở một bề mặt rất nhỏ. Tất cả các kỹ sư đều biết rằng không thể hạ nhiệt độ theo cách đồng thời một lúc trên mọi điểm của bề mặt. Như vậy cần phải đặt lên bề mặt này các tấm kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao để thu hút nhiệt độ vào mỗi điểm . Nhưng khả năng dẫn nhiệt giữa các tấm kim loại và bề mặt lại khác nhau tạo ra những chu trình chuyển nhiệt rất phức tạp, gia tăng với các tốc độ, liều lượng và thang bậc rất khác nhau. Do vậy hệ thống làm lạnh không được hoàn hảo. Tuy nhiên, thay vì bỏ qua các lực cản không thể tránh được này, AdrianBejan đề nghị là phân phối chúng một cách tối ưu nhất thông qua phương pháp hình học. Các phương trình tính toán quá trình mất mát năng tượng này đã dược biết đến từ lâu: trong trường hợp của chu trình làm lạnh, JosephFourier đã lập lên một lý thuyết trao đổi nhiệt cách đây gần 200 năm. Như vậy, nếu người kỹ sư lập được một danh sách rõ ràng những "nhân vật" gây cản trở (đặc tính của các vật liệu sử dụng, kích thước của bề mặt cần làm lạnh, lượng nhiệt sản sinh, nhiệt độ tối đa của mỗi điểm...), biết được mục đích của chúng (hạ nhiệt độ ở mức tối đa) thì không có gì có thể cản trở việc nghiên cứu chi tiết những vật cản thay đổi thế nào theo phân bố của chất liệu. Ngay lập tức ghi nhận về năng tượng tiêu hao chuyển thành một nguyên lý tổng hợp, biến phương pháp hình học xa lạ thành một bài toán thuần tuý: với các mục tiêu và các vật cản như vậy thì làm thế nào để thiết lập được hình thức phân phối tất nhất các cản lực theo thời gian, không gian, mức độ và cấu trúc sao cho hiệu quả hoặc năng lượng cung cấp được tối đa?

Đơn giản hóa vấn đề

Tìm kiếm một giải pháp trực tiếp cho vấn đề sẽ dẫn tới một ngõ cụt: mặc dù hiện tại đã có những công cụ tính toán mạnh nhưng dường như để đến đích thì vẫn còn rất nhiều khó khăn. Phương pháp constructal đưa ra cách đơn giản hoá vấn đề: trước hết là tìm kiếm hình thức tối ưu của khối lượng nhỏ nhất có thể được rồi ghép các khối lượng này thành khối lượng lớn hơn để tới hình thức tổng thể, lên đến phạm vi lớn nhất. Như vậy, đối với chu trình làm lạnh, người kỹ sư constructal bắt đầu bằng việc nghiên cứu hình học của bề mặt chữ nhật nhỏ nhất qua đó có thể thu thập được nhiệt lượng cũng như là tìm ra các dữ liệu trên bề mặt nhỏ nhất đó. Bằng việc phân tích tương đối đơn giản, người kỹ sư nhận ra rằng việc phân phối nhiệt độ thay đổi theo hình động của hình chữ nhật: các điểm nóng bị phân phối kém hơn trên bề mặt quá vuông hoặc quá phẳng. Với sự trợ giúp của phương trình Fou-rier, người kỹ sư có thể nhận ra rằng chính khu vực ở giữa có tỉ lệ phân bố nhiệt độ lớn nhất: nếu H là chiều cao của hình chữ nhật và L là chiều dài, tỉ lệ tối ưu của hình chữ nhật sẽ là: (H/L) opt = 2(kM) -1/2 trong đó k và M là các hằng số. Một hằng số được xác định bằng khả năng dẫn nhiệt của hai vật liệu và hằng số kia xác định bằng diện tích của chúng. Người kỹ sư lúc này có thể bước sang giai đoạn hai: liên kết nhiều bề mặt phụ thành một mạng tập hợp nhỏ. Cũng như thế, ở đây các định luật vật lý sẽ cho phép xác định một cách tổng thể tập hợp này trong từng chi tiết nhỏ nhất để có thể phân bố việc làm lạnh ở quy mô lớn hơn mà không cần phải xen kẽ việc tối ưu hoá giai đoạn trước đó. Như vậy, cứ từng bước một tăng phạm vi lên thì người kỹ sư sẽ tới được diện tích cần thiết và anh ta sẽ tạo được một hệ thống làm lạnh ở chế độ làm việc tối ưu nhất.

Đồ vật constructal đầu tiên

Phương pháp mới này đang bắt đầu được phổ biến trong giới kỹ sư, đặc biệt ở Mỹ và Pháp (ở Pháp hiện có khoang chục kỹ sư đang làm việc tích cực với phương pháp mới này). "Các kỹ sư có thể tiếp cận dễ dàng với phương pháp mới này", Jocelyn aonjour thuộc Phòng thí nghiệm lạnh của Viện Nghề nghiệp và Nghệ thuật Quốc gia Paris (CNAM) cho biết: Chính nhà khoa học này cũng chỉ mới biết được phương pháp này cách đây hai năm. Đối với DanielTondeur thuộc Phòng thí nghiệm ngành hoá của CNRSNancy thì phương pháp này khai thác triệt để các phương trình cổ điển và hầu như không phải sử dụng tới các phép tính toán lớn. Khó khăn chủ yếu là làm quen với nhận thức mới này. "Phương pháp mới này đã khiến tôi thay đổi hẳn cách nhìn nhận về nghề nghiệp. Các bước tiến của constructal mới ở giai đoạn đầu tiên nhưng đây chính là công cụ mà các kỹ sư cần, ông nói.

Daniel và các cộng sự ở Nancy đã khai thác phương pháp này để làm ra một chiếc vòi sen. Để làm được điều này, lúc đầu họ lý giải các mục tiêu đặt ra (giảm thiểu lực ma sát và thời gian của dòng nước trong thiết bị) như là các hạn chế dòng nước vào, bề mặt phủ, các lỗ phân nước, kích thước của đường dẫn nhỏ...). Tiếp đến, nhờ sự trợ giúp của các định luật vật lý (định luật của Bernouui về thuỷ động lực các dòng chảy và định luật của Poiseuille về tính lỏng bên trong của một đường ống), các kỹ sư đã rừng bước suy ra các chi tiết hình học của hệ thống phân phối, đường kính ống dẫn ở các điểm nối. Và như vậy, từ mục đích và hạn chế của chiếc vòi sen, họ đã làm ra được đồ vật constructal đầu tiên trong lịch sử.

Ứng dụng trong nhiều ngành

SylvieLorente thuộc khoa chế tạo công trình của Viện khoa học ứng dụng quốc gia Touiouse cũng là người đã làm việc từ hai năm nay với lý thuyết mới này. Bà đã ứng dụng lý thuyết này vào các hệ thống phân phối khí sưởi đô thị để giảm thiểu việc cản trơ và mất mát khí nóng. Nhờ các phép tính toán constructal, tất cả các yếu tố như chiều dài và độ dầy của đường ống, các điểm nhánh, việc gắn kết các ống dẫn có đường kính khác nhau, số lượng các đầu nối... Tóm lại là tất cả các chi tiết của hệ thống sưởi đã được rút gọn lại với mục đích tiết kiệm cao nhất. "Thật là khó để tối ưu hoá một hệ thống quá phức tạp như vậy mà không nhờ tới thuyết constructal, bà cho biết:

Tương tự, JocelynBonjour cũng đã nhờ lý thuyết mới mày để xác định số lượng và hình thức tối ưu các cánh cửa một máy thu hồi gas thải có nhiều chất độc hại như dioxyd carbon, toluen hay benzen. "Tôi có thể chứng tỏ rằng để khắc phục một số hạn chế trong hoạt động và sản xuất, chiếc máy thu hồi gas này phải có 12 chiếc cánh, một con số có vẻ cảm tính khó có thể tìm ra được nếu không nhờ tới lý thuyết ở constructal", ông cho biết:

Cần khẳng định rằng các lĩnh vực ứng dụng của lý thuyết mới này hầu như đã được xác định. Nó liên quan tới tất cả các hệ thống dùng cho các dòng chảy, nó cho phép suy nghĩ tại cách thiết kế máy bay bằng cách phân phối các dòng năng lượng, hình dung được các cấu trúc kiến trúc mới nhờ việc phân bố tối ưu các sức nặng cơ giới, xây dựng được các toà nhà mới trong đó việc đi lại của các cá nhân được thoải mái hơn, cấu trúc lại Internet với các dòng lưu chuyển thông tin, tối ưu hoá các dòng chảy của tiền tệ và các sản phẩm tiêu dùng, nghiên cứu hình dạng của các gen và thậm chí tăng hiệu quả các chiến thuật quân sự... Bằng cách sử dụng các phương trình dòng chảy thích hợp, chỉ cần theo nguyên lý của constructal: đơn giản, độc nhất vô nhị và hiệu quả để phân bố một cách hiệu quả nhất phép hình học sự thiếu hoàn thiện, từ những cái nhỏ nhất cho tới những cái lớn nhất.

Chính bản thân AdrianBejan cũng bị thuyết phục bởi điều đó: thuyết của ông không thể thiếu để biến các hứa hẹn của công nghệ nano thành hiện thực. "Các công việc hiện nay mới đề cập tới khoảng phân nửa của vấn đề. Điều này cho phép chúng ta xây dựng được các máy móc có kích thước rất nhỏ rồi sau đó liên kết lại để làm được một bộ máy to hơn có thể khai thác được. Chỉ có thể nhờ sự trợ giúp của lý thuyết constructal thì công nghệ nano mới có thể sử dụng được” ông khẳng định. Như vậy đã chứng tỏ tại sao lý thuyết của Bejan dang thực sự là một cuộc cách mạng: nó đảo lộn trào lưu nhỏ bé hoá của vật lý hiện đại, nó đi từ cái nhỏ nhất tới cái lớn nhất, thiết lập lên cấu trúc vĩ mô tổng thể bắt đầu từ việc lắp ghép những cấu trúc đơn giản nhất. Nó vẽ ra một con đường hướng các kỹ sư từng bước tới sự tối ưu . Đó chính là chiếc cầu thang để bước lên thiên đường của những khối hình hoàn hảo...

Nguồn:
Cập nhật lúc:

Nội dung liên quan

  • Những câu hỏi khoa học chưa được giải đáp

    19/12/2019Minh Thi (theo National Geography)Vũ trụ được làm bằng gì? Đâu là nền tảng sinh học của ý thức? Tuổi thọ con người có thể kéo dài bao lâu? Đó chỉ là một vài trong hàng loạt câu hỏi chưa có lời giải được đưa ra trong tạp chí Science số tháng 7 nhân kỷ niệm 125 năm hoạt động.
  • Chúa có chơi trò xúc xắc?

    14/01/2016Phạm Văn ThiềuTừ thế kỉ XVII, các công ty Bảo hiểm đã tính trong giá bảo hiểm cả xác suất để một viên ngói tình cờ rơi vào đầu người và do đó có thể tiên đoán được khá chính xác lợi nhuận mà họ sẽ thu được. Rõ ràng đó là những kẻ khai thác triệt để sự ngẫu nhiên - một lực lượng đang được xem như là ông chủ vũ trụ...
  • Những ứng nghiệm ngẫu nhiên

    21/09/2006Đ.H.LCuộc sống dường như chứa cả vạn điều mà ta chưa hề biết đến, cho nên trong cuộc sống thường nhật ta vẫn thường gặp những câu than thở: Giá như, biết thế và nếu như… việc muốn biết trước cái gì sẽ xảy ra trở thành một nhu cầu ước muốn thực tế nhưng lại xa vời bởi biết dựa vào đâu mà nói?
  • Hiệu ứng con bướm có không?

    01/09/2006Phạm Văn Thiều (Viết theo Tạp chí Scientific American)Lâu nay người ta tin rằng các dự báo thời tiết không thể sớm trước hai tuần do có “hiệu ứng con bướm”. Cơ học thống kê đã bác bỏ “tín điều” đó...
  • Vũ trụ luân hồi

    25/07/2006Trần Tiễn Cao Đăng (theo Scientific American)Sự va chạm giữa các màng và gia tốc vũ trụ có thể là động lực cho một chu kỳ bất tận mà trong đó vũ trụ của chúng ta chỉ là một giai đoạn...
  • Vũ trụ ra đời như thế nào?

    29/03/2006Các nhà khoa học cho rằng, vũ trụ thoát thai từ Vụ nổ lớn (Big Bang) tại thời điểm 13,7 tỉ năm trước. Mới đây họ lại khoe rằng, có đến ba kịch bản khác nhau cho cái thời khắc sinh thành đó.
  • Thuyết Tương Đối & Thuyết Lượng Tử

    24/01/2006Việc cho ra đời thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử" đã ghi tên Albert Einstein vào danh sách những nhà bác học, khoa học hàng đầu thế kỉ và tạo nên 1 cuộc cách mạng trong khoa học và nó vẫn được áp dụng rộng rãi cho tới tận ngày nay sau gần 100 năm ra đời...
  • Tương lai

    28/11/2005Trần Cao Dũng
    Tương lai sẽ đi về đâu? Con người sẽ sống ra sao khi chỉ có trí óc tưởng tượng bị giới hạn? Mọi thứ không ngừng thay đổi. Thời gian trôi đi một cách chóng mặt và nhân loại như đang chạy đua với nó. Kẻ nào sẽ là người chiến thắng trong cuộc đua vô hình này? ...
  • Các xu hướng thống nhất trong vật lý học

    30/10/2005Đỗ Kiên CườngTheo Weinberg, giải Nobel vì thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu, một mục tiêu căn bản của vật lý là chiêm ngưỡng sự đa dạng của tự nhiên bằng cái nhìn thống nhất [1]. Thành tựu quá khứ chính là minh họa điển hình: thống nhất giữa cơ học thiên thể và cơ học (trên) trái đất của Newton thế kỷ XVII, thống nhất giữa quang học và và lý thuyết điện và từ của Maxwell thế kỷ XIX, thống nhất hình học không - thời gian và lý thuyết hấp dẫn của Einstein năm 1905 và 1916, thống nhất giữa hóa học và vật lý nguyên tử thông qua cơ học lượng tử những năm 1920. Và nay là thống nhất giữa thuyết thống nhất cuối cùng của vật lý, một sự nghiệp vĩ đại có lẽ còn lâu mới kết thúc.
  • "Định mệnh đưa tôi đến với vật lý thiên văn"

    19/08/2005Khánh HàGS. TS. người Mỹ gốc Việt Trịnh Xuân Thuận là một nhà vật lý thiên văn nổi tiếng thế giới. Ông đã viết khoảng 200 bài tiểu luận về sự hình thành các yếu tố trong Big Bang và Thiên hà, cùng sự tiến triển của chúng...
  • Ý nghĩa của luật tự nhiên

    09/08/2005Tôi thật bối rối trước cách dùng thuật ngữ “luật tự nhiên”.Tôi hiểu các luật tự nhiên là gì – chúng tôi biết được nhờ học các môn khoa học tự nhiên. Nhưng một vài tác giả dùng thuật ngữ “luật tự nhiên” ở dạng số ít như thể nó có gì đó liên quan tới vấn đề đúng sai, và gần như nó là tiếng nói của lương tâm. Tôi thật khó hiểu luật tự nhiên có liên quan đến các vấn đề đạo đức như thế nào. ...
  • Nguồn gốc và tiến hoá vũ trụ

    18/07/2005Đỗ Kiên CườngVũ trụ có nguồn gốc từ đâu, vì sao vũ trụ xuất hiện? Vũ trụ tiến hoá như thế nào và có kết thúc hay không? Thú vị là chỉ trong vòng một thế kỷ, con người đã có thể thảo luận những câu hỏi ngàn đời đó một cách khoa học. Bài viết này cố gắng đưa ra một bức tranh sơ bộ về những câu hỏi nói trên.
  • Vũ trụ theo quan niệm phương Đông

    19/07/2005Nhà thiên văn học Nguyễn Quang Riệu...các nhà thiên văn học phương Đông thời xưa không có một mô hình chính xác về Vũ trụ và quỹ đạo của các hành tinh trong Hệ mặt trời, vì ngành vật lý và toán học, đặc biệt là hình học chưa được phát triển. Tuy nhiên, quan niệm của họ về Vũ trụ có khả năng thay đổi tương đối đúng với thực tế.
  • Cái vô hạn trong lòng bàn tay

    09/07/2005Minh BùiĐề cập đến hai cuộc đời, một của nhà vật lý thiên văn sinh ra đã là Phật tử - người mong muốn đem những hiểu biết khoa học của bản thân đối chiếu với những nguồn gốc triết học của mình, và một của nhà khoa học phương Tây trở thành nhà sư - người mà những kinh nghiệm cá nhân đã kích thích ông so sánh hai con đường nhận thức hiện thực khách quan đó.
  • Siêu Hình học: Tồn tại hay không tồn tại

    07/07/2005Tiến sĩ Đỗ Minh HợpMột trong những nhiệm vụ trọng tâm của công tác nghiên cứu và giảng dạy triết học là tìm ra các nguyên tắc mới để hình thành một lập trường sáng tạo đối với truyền thống triết học và tiếp thu những thành tựu của tư tưởng triết học thế giới. Vấn đề siêu hình học, quan niệm vế siêu hình học luôn là một vấn đề trọng tâm và nan giải nhất của triết học, vì nó có liên quan mật thiết đến dự lý giải về triết học, về động thái của đối tượng triết học và về sứ mệnh của triết học trong văn hoá. Bài viết này của chúng tôi nhằm góp phần làm sàng tỏ vấn đề ấy.
  • xem toàn bộ

Nội dung khác