Den skala virkning omhandler de fysiske konsekvenser som kommer fra den endring av dimensjonen av et legeme eller mer generelt av en fysisk kvantitet .
Skalaeffekten gjelder menneskeskapte produkter, men også den levende verden og fysikk generelt. Når modifikasjonen er en homøthet , bevares proporsjonene.
Skalaeffekten manifesterer seg spesielt innen økonomi , når økningen i produksjonsvolum som er tillatt av arbeidsdelingen, genererer besparelser i den forstand klassiske økonomiske modeller forstår det. Dette er referert til som en stordriftsfordel .
Imidlertid viser loven om avtagende avkastning utover en viss grense at skalaeffekten ikke lenger fungerer som en besparelse, men som en ekstra kostnad.
Lengden varierer i L, området i L 2 , volumet i L 3 . Når vi dobler dimensjonen til en kropp:
Bøying forårsaker strekk- og trykkspenninger som avhenger av strålens del:
spenning = Mt / t (høyde på bjelken)For en bjelke med kvadratisk seksjon hvis høyde er lik en tidel av lengden, vil vi ha:
P = volum × tetthet = lengde × snitt × tetthet = L x ( 0,1 L x 0,1 L ) x tetthet = 0,01 L 3 × tetthet spenning = 0.01 L 3 x L x tetthet / 8 / 0,1 L = densitet x L 4 /80Hvis vi dobler lengden på bjelken, multipliseres spenningen med 2 4 = 16.
De insekter er liten og begrenset i størrelse av deres luftveiene , noe som gjøres ved trakeal lesings inne i kroppen. For et gitt oksygeninnhold i luften tillater ikke dette åndedrettssystemet mer effektiv gassutveksling, fordi det hovedsakelig er passivt. Utover noen få centimeter ville det indre kroppen til et insekt neppe bli oksygenert, noe som begrenser deres maksimale størrelse.
De virveldyr var i stand til å tilegne seg mye større størrelser fordi deres respiratoriske systemer ulike allierte i deres blodet er langt mer effektive og dermed ikke begrense deres størrelse som i tilfelle av insekter. Størrelsene deres er begrenset av andre faktorer, først og fremst vektbegrensninger på skjelettet .
Det store dyret har hundre ganger lavere hudoverflate / masseforhold.
Våre to dyr er varmblodige. Anta at den samme ytre temperaturen er lavere enn kroppens. Det lille dyret som har en overflate av huden ( varmetap ) 100 ganger sterkere (redusert til massen) vil bruke proporsjonalt 100 ganger mer energi for å opprettholde temperaturen. Med en sammenlignbar livsstil (fysisk aktivitet, romtemperatur), må han spise 100 ganger mer (i forhold til vekten, alltid).
EksemplerFugler er varmblodede dyr, med lignende tetthet, med sammenlignbar motorisering og drivstoff (muskler, oksygen og glukose levert av blodet). Når størrelsen øker, øker massen raskere enn området. Siden vingens løftekoeffisient varierer lite, øker minimumshastigheten med størrelsen. En fugl som er fire ganger større, må fly minst 2 ganger raskere. Mindre fugler kan generere tilstrekkelig løft ved å klappe vingene med høy frekvens, men treghetskrefter assosiert med størrelse tvinger større fugler for å redusere denne frekvensen. De må løpe på bakken i vinden eller miste høyde for å nå minimum flyhastighet.
En isolert paviljong har mye mer utvekslingsflate i forhold til volumet enn en stor bygning. For eksempel :
Som vi ser ovenfor multipliseres strekk- / trykkspenningen i materialet med 16 hvis vi dobler lengden på en bjelke .
Det tok oppfinnelsen av hvelvet (som får materialet til å fungere i komprimering og ikke lenger i bøyning) for å øke spennlengden og tillate bygging av steinbroer i stedet for tre.
Du kan ikke øke høyden på en steinbygning på ubestemt tid. Det er en grense, der steinen ved bunnen av konstruksjonen krasjer under bygningens egen vekt. Arbeidet med å lette de øvre delene av katedralene oppfyller dette kravet. Det akademiske prosjektet til et 300 meter stort tårn som ble foreslått i stedet for Gustave Eiffels metalltårn, ville ha utgjort svært alvorlige mulighetsproblemer for selve bygningen, dens motstand mot vinden og også for dens fundament. Langs Seinen. Den høyeste steinbygningen ville være Washington Obelisk, 169 m høyde, ferdig i 1885.
Skalaeffekter er blitt observert i jord-struktur interaksjoner. Således er dispersjonskoeffisienten i rettlinjede karstiske ledninger utsatt for en skaleringseffekt, opp til en viss avstand utover hvilken den klassiske Fickian- dispersjonsprosessen gjelder , karakterisert ved en konstant dispersjonskoeffisient .
Skalaeffekten bestemmer delvis energieffektiviteten til transport.
KjøretøySammenligning av bil / buss. Ved konstant hastighet avhenger total luftmotstand av den aerodynamiske luftmotstanden og rullemotstanden.
Den aerodynamiske luftmotstanden er en funksjon av frontområdet multiplisert med Cx bil, S = 1,80 m 2 , Cx = 0,34, S × Cx = 0,62 m 2 trener, S = 5,8 m 2 , Cx = 0,7, S × Cx = 4,1 m 2Hvis bussen bærer 30 personer og bilen 2, er det et dragområde per person på 0,13 m 2 i bussen i stedet for 0,30 m 2 i bilen, til tross for vognens mye mindre strømlinjeformede aerodynamikk. Frontområdet, som er avgjørende, øker mindre raskt enn volumet som er tilgjengelig for passasjerene.
merk: homøtheten respekteres ikke, bussen er lenger i proporsjon. Stabiliteten til seilbåterUnder påvirkning av vinden hæler seilbåten (han lener seg). Likevektstilstanden oppnås når vippemomentet er lik rettingsmomentet. For en gitt vindkraft:
Stabiliteten øker med L 4 / L 3 = L. Den øker med skaleringsfaktoren: en 1/10 skala modell av en seilbåt er 10 ganger mindre stabil enn den virkelige. For å korrigere, må den reduserte modellen være mer ballastert enn den virkelige. Modellkonkurranse-seilbåter (klasse M, lengde 1,27 m ) er ikke modeller av faktiske seilbåter. De har mer enn doblet trekk (ballastarm) og er veldig tungt ballastert (blytorpedoer). Forholdet mellom ballast og forskyvning er mye sterkere enn i virkeligheten (75% i stedet for 30%).
Motstand mot avansering i henhold til størrelseTrekket (motstand mot fremrykk) av et skip avhenger av friksjonsoverflaten med havet og bølgedraget.
Når farten forblir konstant, jo større skipet er, jo mindre bølgesystemet genereres av skroget, jo lavere er bølgekoeffisienten.
Skalaeffekten virker direkte på dragbalansen og derfor på den økonomiske avkastningen: store skip (oljetankskip, containerskip ) er de mest økonomiske.
Relativ vektmotstand (R / Delta) ved marsjfart:
Stort, tregt fartøy (300 m , 15 knop), Fn 0,15, R / D = 0,001 (motstand er en tusendel av vekten) Krigsskip (200 m , 25 knop), Fn 0,30, R / D = 0,030 (30 kg per tonn) NGV ( høyhastighetsfartøy ), Fn 0,70, R / D = 0,080 Utvalgt; Fn 1.0, R / D = 0.15 (150 kg per tonn, motstanden er 15% av vekten). Tankprøver av skrogeneBassengmodellene er i redusert skala: skaleringsfaktoren er ofte større enn 10 eller 20. De større bassengene, som B-600 til DGA i Val-de-Reuil (545 m lange), tillater modeller opp til 10 m lang, dvs. 1/20 av en 200 m lang bygning. Mindre bassenger, som den 200 meter lange École centrale de Nantes , gjør det mulig å bruke modeller på 2 til 3 meter. Skalafaktoren kan da overstige 50. Overflate / volumforholdene til modellen og den virkelige er da veldig forskjellige, og nedbrytningen av det målte luftmotstanden er også veldig forskjellig: friksjonsslyngen (våt overflate) er større i bassenget .
Motstanden målt ved bekkenet er en total drag Rtot = friksjonsdrag (relatert til overflaten) + bølgedrag (relatert til volumet).
man bestemmer i henhold til planen for formene den våte overflaten (i statisk), vi beregner den teoretiske friksjonsmotstanden (Rf) av skroget , som blir ekstrapolert til kvadratet til det virkelige, vi finner ved subtraksjon (Rtot - Rf) bølgebanen, som vil bli ekstrapolert til kuben til den virkelige.Siden den dynamisk fuktede overflaten er forskjellig fra den statiske fuktede overflaten, er dette en kilde til feil, spesielt når det gjelder raske fartøy :
svever: reduksjon av den fuktede overflaten, ikke-høvling: økning i den laterale fuktede overflaten ( buebølge ).Optimaliseringstester av form, trim, vedheng kan gi en fordel til bekkenet som vi ikke nødvendigvis finner i virkeligheten.
Problem med vedlegg og små lagerflater ( folier ): friksjonskoeffisientene er veldig forskjellige mellom modellen og den virkelige på grunn av laminariteten som kan være total på modellen (veldig lav luftmotstand) og den mye høyere ruheten til den virkelige . Disse laminaritetsproblemene kan reduseres ved å legge til turbulensstimulator til modellene.
Skalamodeller, tall uten dimensjonerSpesielt i væskemekanikk utføres tester på store maskiner (skip, fly osv.) I liten skala. Jo større skaleringsfaktor, jo mer er fordelingen av de forskjellige stiene (friksjon, bølge) forskjellig mellom modellen og den virkelige; uttrykkets skalaeffekt får en presis betydning.
For eksempel, i studiet av en strømning rundt en hindring, må kjølvannet, i nærmeste skala, omfatte det samme systemet med bølger, virvler eller turbulens på modellen og prototypen. Å si at fenomenene er like mye som å si at visse invarianter må bevares når man endrer skala. Disse invarianter er derfor dimensjonsløse tall som må konstrueres ut fra dimensjonale størrelser som kjennetegner fenomenet (for mer detaljer, se Likhet med reduserte modeller ).
Blant disse dimensjonsløse tallene er noen lengdeforhold: deres bevaring karakteriserer den geometriske likheten som ikke krever spesielle kommentarer. Bare de som involverer fysiske mengder er av interesse her.
I noen problemer kan det antas at bare ett dimensjonsløst tall skal holdes. I aerodynamikk er dette ofte tilfelle med Mach-tallet i hastigheter som er høye nok til at kompressibiliteten til luften ikke lenger er ubetydelig.
LikhetsforholdVilkårene for likhet kan være uforenlige. Når du flytter et modellskip, vil det i prinsippet være nødvendig å holde samtidig:
En rask inspeksjon av formlene viser at en reduksjon av skalaen, under disse forholdene, skal ledsages av begge:
I umuligheten av å beregne teoretisk eller presist bølgedraget (det er nettopp for dette vi utfører tester i bassenget) respekterer man likheten til Froude, og man beregner den teoretiske friksjonsmotstanden med tanke på l'-stigen. Når skaleringsfaktoren er viktig, resulterer enhver upresisjon i beregningen av friksjonen (effektiv fuktet overflate, lokal hastighet høyere enn tilførselshastigheten, ruhet, omfanget av laminariteten mer eller mindre kjent) til en enda mer upresisjon. Høy bølgemotstand fordi den blir ekstrapolert til skalaen. Jo nærmere modellen er faktisk størrelse, jo mer nøyaktige beregninger. Det var dette som førte til konstruksjon av store testbassenger (over 500 meter lange).
FlyHvis vi øker størrelsen på et fly, øker massen raskere enn overflaten, øker vingebelastningen (F / S i newton per kvadratmeter ).
F = 1/2 ρ V 2 S CzMed samme løftekoeffisient (Cz) bør flyhastigheten i teorien økes: V skal følge roten til skalafaktoren: flyet dobbelt så stort skal fly 1,4 ganger raskere.
Det større planet vil ikke lenger være en enkel forstørrelse av det mindre: sammenlignet med skroget, vil vingen være større.
Den endelige (stabiliserte) hastigheten er nådd når vekten (massen utsatt for tyngdekraften) balanserer luftens aerodynamiske bremsing (som er relatert til frontflaten).
Klokker, lydfrekvens direkte relatert til midjen. Samme stemmegaffel, strengeinstrumenter ( diskant fiolin - basscello ), blåseinstrumenter, organer.
Friksjonsmotstand i forhold til volum (til forskyvning), antall sylindere, spesifikk effektivitet.