Grootte is belangrijk: de schaalvoordelen, van heel groot tot heel klein – Physics World

Grootte is belangrijk: de schaalvoordelen, van heel groot tot heel klein – Physics World

Tijdstempel: 8 november 2023 5:00 uur
Bronknooppunt: 3023755


Afbeelding van een olietanker die vastzit in een kanaal
De schaalvoordelen Het zijn niet alleen de wetten van de natuurkunde die de omvang bepalen: soms kunnen meer alledaagse praktische zaken, zoals olietankers die te groot worden om door kanalen te passen, de groei tot stilstand brengen. Met dank aan: Adobe Stock/Corona Borealis

Honderdvijftig jaar geleden bedroeg in de VS de gecombineerde kracht van vier sterke paarden, vastgebonden aan een ploeg, niet meer dan 3 kilowatt – en werkte meer dan de helft van de gehele beroepsbevolking op boerderijen. Tegenwoordig produceert zelfs de kleinste John Deere-tractor 120 kilowatt en is ongeveer 1.3% van de werknemers werkzaam in de landbouw. Dit betekent dat het vermogen van landbouwmachines in die tijd met 40 is vermenigvuldigd en dat de beroepsbevolking op het platteland in die tijd met 40 is gedeeld – wat allemaal geen toeval is.

In de transportsector kunnen zowel moderne schepen als grote vliegtuigen tot 90 megawatt genereren. Dat maakt ze bijna 1000 keer krachtiger dan een typische kleine auto en 100,000 keer krachtiger dan een 19e-eeuws waterrad. En dit zijn niet eens de krachtigste machines die er zijn: sommige stoommachines die elektriciteit opwekken, werken nu op 1000 megawatt. Afgezien van de gevolgen voor het milieu, heeft deze enorme machtstoename geleid tot een overdaad aan voedsel en betaalbare consumptieartikelen in een grotendeels stedelijke samenleving, met een grotere toegang tot informatie en mobiliteit.

De Tsjechisch-Canadese wetenschapper en beleidsmaker Vaclav Smil analyseert deze groei van schaal en macht in zijn nieuwste boek Grootte: hoe het de wereld verklaart. Smil is een productief auteur die al meer dan 40 boeken heeft gepubliceerd over onderwerpen variërend van energie en voedselproductie tot technische innovatie en openbaar beleid. In dit werk onderzoekt hij een aantal van die gebieden opnieuw en koppelt hij ze aan elkaar met een bespreking van de omvang, hoewel het misschien juister is om te zeggen dat het boek over proporties gaat.

Maat is niet zo triviaal als simpelweg een lijst van dingen die door de eeuwen heen erg groot zijn geworden. De fysieke beperkingen van die groei worden besproken – de omvang van olietankers wordt bijvoorbeeld vaak uitgedrukt in draagvermogen (dwt), en de omvang van deze schepen nam gestaag toe van ongeveer 20,000 dwt na de Tweede Wereldoorlog tot ongeveer 300,000 dwt door de jaren heen. de jaren zeventig. Er zijn geen technische beperkingen om ze meer dan twee keer zo groot te maken, en toch is dat niet gebeurd. Smil wijst erop dat dit komt doordat slechts een handvol diepwaterhavens in de wereld zulke megaschepen kunnen huisvesten, en dat ze niet door het Suez- of het Panamakanaal zouden kunnen varen.

Aan de andere kant van de schaalgrootte, bespreekt Smil De wet van Moore, waarin ingenieur Gordon Moore in 1965 de snelle verdubbeling voorspelde van het aantal componenten dat op een microchip wordt geplaatst. Een grafiek van het aantal transistoren versus de tijd laat zien dat de wet tientallen jaren stand heeft gehouden, maar dat er sinds 2008 sprake is van een lichte afvlakking. Smil koppelt deze afname aan het werk van de Amerikaanse elektrotechnisch ingenieur Robert Dennard, die aantoonde dat transistors kleiner worden, kunnen ze sneller worden gemaakt zonder dat het totale stroomverbruik toeneemt – maar dat dit schaaleffect in de jaren negentig al zijn limiet begon te bereiken. Toekomstige verbeteringen kunnen ook worden beheerst door zowel de natuurlijke grenzen van de lithografie, de veelgebruikte lichtdruktechniek, als door de enorme investeringen die nodig zijn om een ​​nieuwe productiefaciliteit te ontwikkelen.

Maat gaat ook verder dan alleen het analyseren van technologie. In een poging de menselijke maat in alle aspecten van design te waarderen, begint Smil met een lange discussie over de reuzen die we tegenkomen in Gulliver's reizen. We leren dat – ondanks de pogingen van Jonathan Swift om zijn fictieve wereld met enige plausibiliteit op te bouwen – een modern begrip van materialen onthult dat zijn reuzen niet in staat zouden zijn geweest rechtop te lopen. Erger nog, hun verhouding tussen massa en oppervlakte zou het voor hen heel moeilijk hebben gemaakt om zichzelf af te koelen, een probleem dat zich weerspiegelde bij de aanzienlijk kleinere Lilliputters, die vrijwel constant zouden moeten eten om hun lichaamstemperatuur op peil te houden.

Het verspreide karakter van de onderwerpen in het boek zou kunnen voorkomen dat het uiteindelijk een samenhangend proefschrift presenteert – maar daarom is het niet minder leuk. De langdurige discussie over normale verdelingen en hoe deze van toepassing zijn op uiteenlopende kwesties als de inkomensverdeling en de lengtes van basketbalspelers, is zowel informatief als onderhoudend. Ik heb ook genoten van het gedeelte over het menselijk lichaam en waargenomen aantrekkelijkheid, dat leidt tot een analyse van hoe we in schilderijen worden weergegeven. Dat brengt ons op zijn beurt bij een prachtige tirade over de veronderstelde alomtegenwoordigheid van de ‘gulden snede’ in kunst en design. Smil benadert dit concept met enige scepsis en concludeert dat de zogenaamde ratio niet precies kan worden uitgedrukt als een breuk, en daarom niet eens echt een ratio is.

Al met al vermoed ik dat er veel zijn Natuurkunde wereld De lezers zouden het geweldig vinden als dit boek onder de kerstboom op hen wacht. Het zou inderdaad perfect leesmateriaal zijn voor iedereen die houdt van een wiskundige analyse van de wereld om hem heen en die over een beetje vrije tijd beschikt.

  • 2023 Pinguïn 304 pp £20hb

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld