Abdelkader Bachta
Université de Tunis
Science et technique :
la géométrie et la physique de la loi constructale
En somme, la loi constructale, qu’Adrian Bejan propose pour les ingénieurs,
concerne le phénomène d’écoulement visant
l’optimisation et l’équilibre. L’auteur l’a
exposée dans plusieurs livres comme : 1) Shape and structure,
from Engineering to Nature (2000) ; 2) The constructal law (1),
que Madame Angèle Kremer Marietti a traduit en français
(2005) ; et 3) Advanced Engineering- Thermodynamics (2006).
- En tant que telle, cette loi a nécessairement deux fondements : 1.
géométrique, qui intéresse la forme, la configuration du
design ; 2. physique, qui regarde les références
concrètes de cette loi. De toute façon, l’auteur n’a
pas manqué d’insister, dans ses écrits, sur ces deux aspects
et Madame Angèle Krémer Marietti l’a souligné
aussi dans son Avant-propos (2).
- D’un autre côté, cette loi d’ingénierie a
des implications économiques,
humanistes et
pédagogiques sérieuses, sur lesquels Bejan a mis l’accent
dans son œuvre (3). Les significations philosophiques de cette
théorie, qui ne rentrent pas, en fait, dans les intentions de
l’auteur, sont possibles. Madame Angèle Kremer Marietti en a
trouvé une qui est intéressante. De plus, cette théorie
s’inscrit dans un mouvement international de plus en plus étendu,
comme l’a noté l’auteur lui- même (4).
- Il paraît, par conséquent, tout à fait opportun,
d’examiner cette loi si actuelle et si importante. Nous
le ferons du double point de vue de la philosophie et de l’histoire des
sciences
- C’est pourquoi nous nous limiterons à la question des
fondements scientifiques (géométrie et physique).
Nous serons, d’ailleurs, amené à introduire l’aspect
physique en traitant l’universalité de la loi en question. Notre
référence essentielle sera The constructal Law, qui est un
livre synthétique qui contient tous les aspects intéressant la
théorie et où la maturité de Bejan est à son
apogée.
I) La géométrie :
Liberté géométrique et nature de la
géométrie
- La liberté géométrique : le concept et ses
implications
- Le concept :
L’auteur insiste
beaucoup, tout le long de son livre et ailleurs, sur cette idée de
liberté géométrique qui fait que la forme (ou la
configuration ) du design n’est pas fixée d’avance, mais
qu’elle advient à la fin, après avoir maîtrisé
les résistances d’écoulement et atteint la situation
d’équilibre. Autrement dit, d’un point de vue structural, la
géométrie n’est pas un état statique qu’on
joint, d’emblée et d’une façon automatique, à
une structure de croissance d’écoulement donnée ; elle
est plutôt en devenir et s’inscrit dans un processus dynamique dont
elle est le couronnement final.
Déjà, dans la
préface de leur texte, A.Bejan et sa collaboratrice Sylvie Lorente nous
disent : « La configuration a la liberté de se
former ». Au niveau des analyses des structures
d’écoulement entre un point et un grand nombre de points,
l’auteur nous parle de ″la liberté de la
géométrie ″ et affirme que : « L’arbre
constructal peut être affiné (amélioré) quand on
attribue à sa géométrie une plus grande liberté de
formation » (5) etc...
Mais c’est le chapitre 3,
consacré au « Cours sur la configuration des systèmes
d’écoulement et le design à échelles
multiples », qui nous paraît le plus clair sur ce plan
précis. On y soutient, par exemple : « La
géométrie est la grande inconnue. Il y a, au commencement, des
contraintes globales et objectives, mais aucun dessin, même s’il
peut exister un cadre ou un encadrement (par exemple, le travail de
conceptualisation d’un réseau de conditionnement de l’air
dans un immeuble déjà conçu). C’est là, en
fait, une pensée très libératrice, car c’est une
liberté (la liberté de la forme) qui dote le concepteur de la
capacité d’élever la performance au plus haut niveau .
Ici la liberté est la clé. Il faut insister sur l’importance
de cet ingrédient dans un programme d’ingénierie parce
qu’il entraîne « de grandes promesses pour
l’ingénierie future » (6).
- Les implications
Il découle
naturellement de ce concept, pour l’auteur, que l’approche
constructale, qu’il défend, s’oppose à la
méthode traditionnelle où la géométrie est la
première donnée connue, où la configuration du design est
déterminée au préalable. A.Bejan n’a pas
manqué de mettre l’accent sur cette conséquence dans son
ouvrage.
Elle est présente dès la préface
du livre, où on nous informe : « Une telle liberté
était impossible dans le passé, parce que jusqu’à
récemment le meilleur concepteur était celui qui admettait
intuitivement une à deux configurations expertes ... ».
Dans le cours, il est souligné, par exemple : «
Traditionnellement l’étudiant en design suppose une configuration
déjà existante et l’analyse. Si le concepteur a davantage de
temps, il ou elle suppose une configuration candidate, l’analyse, la
compare à la première, et choisit la meilleure des deux. Parce
que, là, le temps est la clé, le concepteur sélectionne
souvent une configuration qui a été utilisée dans un
précédent projet, sans avoir la certitude qu’une telle
configuration demeure la plus appropriée » (7).
Cette opposition entre la théorie constructale et l’approche
traditionnelle en matière d’ingénierie du design correspond,
dans l’esprit de l’auteur, à celle du ″design comme
science ″, que représente la première, et le domaine de
l’intuition et de l’art, qui est à la base de la seconde.
C’est que Bejan pense, en substance, que la loi constructale tire la
configuration du champ artistique reposant strictement sur la simple intuition
pour l’introduire dans la science.
Après avoir
lié la tradition à la tendance intuitive, il ajoute :
« Le génie d’innovation poussait loin la performance
mais laissait le design au niveau de l’art » (8).
Il est dit, également : « L’intuition joue un rôle
très important dans l’approche traditionnelle, puisque seuls ceux
doués d’intuition peuvent adopter des configurations pratiquement
viables.
La dépendance à l’endroit de
l’intuition et des pratiques passées (folklore) fait du design
traditionnel une " forme d’art″ (9).
Par contre, la
théorie constructale pense le design comme objet de science,
c'est-à-dire, nous dit-on ″sans parti pris″, ou encore une
forme ″dérivée de principes″. La préface
définit cette chose scientifique comme étant
« fondée sur le principe selon lequel concourent des structures
d’écoulement se formant à partir des mêmes
contraintes ». C’est là une manière de marquer son
caractère universel qui est, effectivement, une caractéristique
scientifique certaine. De toute façon, le design est dans la science,
à partir du moment où il rompt avec l’intuition et
l’esthétique. C’est le fond de la pensée de
l’auteur.
Cette idée du design comme science,
opposée à l’intuition et à l’art, et sur
laquelle Angèle Kremer Marietti a insisté, de son
côté, dans son introduction, nous rappelle, toutes proportions
gardées, bien entendu, la conception bachelardienne de la technique. En
effet, pour ce philosophe français, la technique est
nécessairement scientifique (10), elle s’oppose tout naturellement
à l’art. Mais les arguments sont autres ; en somme, la
relation entre science et technique s’explique par l’introduction,
dans la seconde, de ce qu’il appelle ″des robots
mathématiques″, c'est-à-dire des équations
algébriques appropriées. Ce qui n’est pas clair chez
l’auteur de la loi constructale, dont l’approche est plutôt
géométrique, méthode que critique Bachelard en parlant de
l’homo faber de Bergson. Le philosophe français pense que
la technique se distingue de l’art par la standarisation et
l’uniformité de ses objets (11). Bejan, quant à lui, met
l’accent sur l’intuition, comme on a vu.
La
liberté géométrique est donc, pour l’auteur de la
méthode constructale, la voie royale de la scientificité et de la
rupture avec l’esthétique. C’est là une conclusion
étonnante pour un philosophe. Elle l’est, en tout cas, pour un
kantien qui distinguerait entre le domaine de la liberté et celui de la
science.
Mais cette liberté est-elle ouverte à
toutes les géométries possibles, ce qui donnerait lieu à
une attitude conséquente ? Ou vise-elle une nature
géométrique précise qui la
limiterait ?
- La nature de la géométrie : l’aspect euclidien
et la continuité
- L’aspect euclidien:
On peut
aisément déterminer la nature de la géométrie en
question en examinant le contenu géométrique du livre qui nous
occupe.
La partie réservée à
l’écoulement entre deux points repose essentiellement sur
l’idée de ligne droite, ce que confirme le dessein recherché
et qu’illustre les figures que trace ou décrit A.Bejan. L’arc
de cercle n’est pas non plus négligeable dans cette section .
Quand on en vient à l’écoulement entre un point et un grand
nombre de points, c’est-à-dire, par exemple, entre un point et une
aire, on s’aperçoit que c’est le cercle qui prévaut,
mais la ligne droite, l’arc sont présents également.
C’est ce que montrent les figures et leurs illustrations diverses.
Arrivé à l’idée d’écoulement entre un
point et un nombre infini de points, nous constatons que l’auteur
n’a pas changé de géométrie. C’est toujours la
droite et l’arc de cercle qui l’emportent.
Le chapitre
2 consacré aux ″structures dendritiques″ fait revenir la
priorité du cercle qui n’exclut pas la pertinence de la
droite.
D’autre part, l’écoulement constructal
en général, quel que soit son genre, se fait dans un domaine
bidimensionnel ou, tout au plus, tridimensionnel. Jamais, il n’a
été question, chez A.Bejan, dans le livre qui nous occupe et
ailleurs, d’une polyvalence de dimensions qui dépasserait ce cadre
(12). Il n’est pas indifférent de souligner, enfin,
l’importance de certains concepts, chez l’auteur, ici et ailleurs,
comme ceux du ″chemin le plus court″ et de la ″section
transversale″, etc...(13).
Il ressort clairement de ce
résumé qu’on est au niveau de la géométrie
euclidienne élémentaire. Plus précisément, on se
trouve, ici, tout près des quatre premiers livres des Eléments, qui concernent la géométrie plane et pas
très loin des trois derniers réservés à la
géométrie de l’espace (14).
Cela veut dire que
notre auteur a fait usage d’une géométrie tout à fait
élémentaire. Ce dont, croyons-nous, il a tout à fait
conscience. En effet, il souligne, à plusieurs surprises, dans son texte,
le caractère simple, fondamental (au sens
d’élémentaire) et universellement applicable de sa
géométrie. Ensuite, s’interrogeant sur la
géométrie convenable, il répond on évoquant
« des vérités telles que F= ma et l’observation
que toute chose s’écoule du haut vers le bas. » Ce
qui correspond, évidemment, au génie euclidien (15).
Cependant A.Bejan va exploiter une idée qui est certainement contenue
chez Euclide sans être tout à fait explicite, comme nous
l’avons déjà montré dans une étude
antérieure (16). Il s’agit du concept de
continuité.
- La continuité :
Naturellement,
cette idée est liée, chez notre auteur, à
l’élément fractal qui, mathématiquement parlant,
signifie un infinement petit, une différentielle dont le continu est
effectivement le générateur. Voici ce dont il y est question, par
exemple, à deux niveaux :
- L’écoulement
entre un point et un nombre infini de points où elle paraît
attachée à la situation d’équilibre. On peut lire, en
effet, ceci : « La structure d’équilibre sera
un arbre fractal, parce que, dans cette limite, elle a un nombre infini de
niveaux de couplage ...Cet arbre connectera le centre du disque avec chaque
point du périmètre du disque » (17). Remarquons que
″l’élément fractal″ est considéré
comme une limite et comme étant la source d’une infinité
d’assemblages ; ce qui veut dire qu’on est bien sur le plan de
la continuité.
- Mais c’est au niveau des
″structures dendritiques″, proprement dites, que le concept qui nous
occupe nous paraît le plus pertinent. L’auteur marque sa
nécessité et l’illustre au moyen d’exemples
différents.
En ce qui concerne la
nécessité, A.Bejan déclare, à titre
d’exemple : « La nécessité de
considérer la grande image – le système macroscopique
– est importante et universelle. Peu importe comment nous
réussissons dans la découverte et la compréhension des
phénomènes et des processus à petite échelle, nous
nous devons d’affronter le défi d’assembler ces
éléments invisibles dans les dispositifs palpables, le défi
est de construire, c'est-à-dire d’assembler et d’optimiser
dans cet assemblage. Ce défi devient plus difficile, parce que, tandis
que les échelles les plus petites deviennent encore plus petites, la
complexité du dispositif utile (toujours macroscopique) augmente en
conséquence. » (18). Il est clair qu’il s’agit ici
du besoin impérieux de construire des dispositifs macroscopiques à
partir d’éléments microscopiques, ou encore de reconstituer
des intégrales à partir de différentielles, autrement
dit, de suivre la voie de la continuité.
Pour ce qui
est des illustrations, elles sont diverses dans le texte d’A.Bejan.
Celui-ci cite, par exemple, les systèmes de réfrigération,
de puissance et les structures volantes comme celle de l’avion :
« Une conclusion importante est que les dimensions des composantes
peuvent être optimisées, de sorte que le système
d’écoulement agrégé fonctionne au niveau le plus
élevé possible. Nous avons illustré ceci en analysant des
organes d’écoulement très simples qui fonctionnent dans
l’avion. »(19) etc...
- D’une façon
générale, la méthode constructale consiste à
construire des entités macroscopiques à partir
d’éléments infiniment petits. C’est au fond, ce que
Madame Angéle Kremer Marietti a souligné, dans son
″Avant-propos″ lorsqu’elle a déterminé les trois
grandes étapes de la méthode constructale.
Il est
tout à fait opportun, à ce propos, de déterminer les
rapports précis entre la méthode constructale et son rival, dans
le monde de l’ingénierie, le procédé fractal. Notons
d’abord que Bejan trouve que le dernier est pertinent dans certaines
situations comme celle du poids total de l’avion, « Il vaut
mieux un poids total peu élevé. De plus petits composants dans
tout sous-système de l’avion semble être
préférables »(20). En outre, l’élément
fractal est inclus dans l’entité macroscopique, qui est la
finalité ultime de la théorie constructale, comme la
différentielle est contenue dans l’intégrale. Cette
idée découle aisément de ce qui précède. Il
reste, bien entendu, que ces deux styles d’ingénierie sont
différents de nature.
Du point de vue strictement
mathématique, il évident que la continuité est
repérée, ici, au niveau géométrique,
c'est-à-dire, en fin de compte, à la manière newtonienne
peu suivie par les mathématiciens. A partir du 18e siècle, en effet, le continu repose essentiellement, chez les savants,
sur des bases arithmétiques, algébriques, sur des nombres.
C’est ce que nous avons essayé de montrer dans certains travaux
antérieurs (21). Tout cela veut dire que notre auteur est ici, comme au
niveau proprement géométrique, pour ainsi dire,
″réactionnaire ″.
En somme,
géométrie euclidienne élémentaire et
continuité géométrique sont les deux aspects essentiels
qu’A.Bejan a utilisés pour fonder sa loi constructale. Dans les
deux cas, notre auteur a montré un visage classique certain, tendant
vers les sources et les assises fondamentales de la science
géométrique.
Mais cette conclusion compromet,
sûrement, l’idée de liberté qu’il soutient,
puisque l’ingénieur est appelé à agir dans un domaine
géométrique bien restreint. De toute façon, la
liberté qu’impliquerait la loi constructale ne peut pas être
absolue.
ΙΙ) La physique :
Universalité d’application et fondement
thermodynamique
- Universalité d’application :
Au niveau physique, on ne saurait trop insister d’abord, en se fondant sur
les textes de notre auteur, sur le caractère universel de la loi
constructale qu’il propose à l’attention des
ingénieurs. Dans l’esprit de Bejan, ce principe intéresse le
design en général. Il concerne, en tout cas, la nature et la
science.
La similitude entre le travail de l’ingénieur
et celui de la nature (avec sa double acception : inerte et animale) est
affirmée à plusieurs reprises dans le texte qui nous occupe
ici.
Dans sa préface, l’auteur nous parle
déjà d’une compétition permanente dans la nature et
en ingénierie. Il s’agit des choses inanimées.
Dans son introduction au premier chapitre consacré à ″la
formulation analytique de la loi constructale″, il dit
expressément : « La génération de
l’architecture d’écoulement est un phénomène
à l’œuvre partout, non seulement dans les systèmes
d’écoulement construits, mais encore dans les systèmes
d’écoulement naturels (animés ou inanimés)»
(22). ″La génération de l’architecture″
concerne, bien entendu, la loi constructale qui implique, comme on a vu, la
liberté géométrique.
Plus loin, on peut
lire : « De nombreux exemples de structures
d’écoulement optimisées dans l’ingénierie et
dans la nature peuvent être catalogués comme des écoulements
dendritiques » (23). Les modèles dendritiques sont donc dans
la nature et dans l’ingénierie. Cette équivalence ne porte
pas, par conséquent, seulement, comme on peut le penser, sur les
systèmes d’écoulement simple (d’un point à un
autre point par exemple).
Dans cette perspective, le
système énergétique d’un avion, par exemple, serait
l’équivalent de tout système volant naturel en
général. En effet, Bejan généralise, dans son texte,
le premier cas à tous les exemples que produit la nature (au double sens)
et qui ont la même forme, la même structure.
Cette
équivalence entre la nature et l’ingénierie, entre
l’écoulement naturel et le déversement construit,
n’est pas du tout étrangère à A.Bejan. Elle se trouve
au cœur de son livre de 2002 Shape and structure from Engineerig to
Nature (Forme et structure de l’ingénierie à la
nature). Elle n’est pas, non plus, absente dans son ouvrage de 2006
intitulé, Advanced Engineering- thermodynamics, etc....
(24).
Toutes proportions gardées, l’auteur se
distingue ici du philosophe français Bachelard, qui a toujours
marqué une opposition entre la technique et la nature. Justement, pour
lui, la technique n’est scientifique que parce qu’elle n’a pas
d’objet la nature, mais des entités construites (25).
Par contre, A.Bejan s’inscrirait, comme l’a bien souligné
Angèle Kremer Marietti dans son ″Avant-propos″ à ce
livre, dans une tradition où on trouve Justus Liebig (1803- 1873) et
Johannes Müller (1801-1858) qui, portant leur attention à la vie
animale, ont établi un lien entre la chaleur, les réactions
chimiques, d’une part, et le travail musculaire de l’autre. La
philosophe Angèle Kremer Marietti nous dit, ensuite, que ces deux
penseurs ont été suivis par d’autres physiciens qui auraient
souligné « l’équivalence de toutes les formes de
″force″ » .
Au niveau proprement
scientifique, on ne peut que noter l’ampleur de l’éventail
que paraît couvrir la loi constructale.
En suivant le texte
dont nous sommes parti, aucune discipline physique ne semble
épargnée (et même non proprement physique). Donnons
simplement quelques exemples.
Au début du chapitre 1,
l’auteur cite les fluides, la chaleur, l’électricité
et les substances chimiques.
Dans le cours, il est question de la
zoologie, de la botanique, de la physiologie. Dans le même texte,
l’auteur parle également de l’ingénierie civile,
électrique et biomédicale, etc...
En somme, comme
principe d’ingénieur qui intéresse le
phénomène d’écoulement et de croissance, la loi
constructale doit, naturellement, couvrir toutes les disciplines scientifiques
qui y touche, d’une manière ou d’une autre. Si on y
réfléchit bien, elle devrait, par là-même, atteindre
une performance d’universalité. C’est, effectivement, ce qui
est arrivé.
De toute façon, ce n’est pas la
première fois que notre auteur exprime ce concept
d’universalité scientifique de sa loi constructale. Il l’a
fait également dans les deux livres précédemment
indiqués (26).
On comprend alors pourquoi A.Bejan
recommande, à plusieurs reprises, aux ingénieurs d’apprendre
les éléments des sciences fondamentales. C’est qu’ils
en ont besoin, certainement, dans leur métier. Là, notre unique
référence est le cours, où on peut lire, par
exemple :
« Dans le design constructal, les
connaissances interdisciplinaires se recommandent elles-mêmes
naturellement quand les concepteurs rencontrent des systèmes à
plus d’un objectif » (27). Ici, la restriction est faite
à la considération de systèmes ayant plusieurs objectifs,
où le recours à plusieurs disciplines scientifiques paraît
normal.
Mais l’auteur généralise cette
relation aux autres cas : « Le développement de la
configuration requiert une connaissance élaborée des fondements,
et cela nous donne une excellente occasion pour enseigner à nouveau
(cette fois-ci avec un but précis) quelques-unes des leçons
fondamentales des disciplines mères » (28).
Il
est, par conséquent, certain que la loi constructale intéresse un
champ physique, et même scientifique en général, fort large
et très varié. Mais quel est le modèle ultime, le fondement
de cette diversité diverse ? On a besoin de préciser cette
référence essentielle pour comprendre l’universalité
en question.
- Le fondement thermodynamique :
Le
principe Bejan l’a trouvé, sans aucun doute, dans la science
thermodynamique. Celle-ci offre d’abord l’image de
l’écoulement ″positif″ et ″idéal″,
c'est-à-dire sans aucune résistance.
Sur le plan des
structures simples (point à point, point à une aire etc....),
l’auteur dit explicitement, par
exemple : « L’analogie avec la thermodynamique est
intentionnelle ». Il va jusqu'à dresser une table de
l’analogie entre les concepts, les énoncés et les principes
de la thermodynamique et ceux de la méthode constructale, en insistant,
notamment, sur le rapprochement, qu’il montre, entre la loi constructale
analytique et la formulation analytique de la thermodynamique classique
(29).
Pour ce qui est des échelles dendritiques, il est dit
franchement, par exemple : « Le génie thermique manifeste
une compétition vers les échelles les plus petites et vers les
systèmes à échelles multiples les plus complexes »
(30).
Mais le modèle thermodynamique est présent,
même au niveau des résistances contre l’écoulement
idéal, c'est-à-dire sur le plan des imperfections de croissance.
Bien plus, cet aspect ″négatif″ du phénomène
d’écoulement est souvent nommé, dans le texte de Bejan,
explicitement ″imperfections thermodynamiques″.
Dans
la partie réservée aux structures simples, il est
dit : « Les systèmes d’écoulement sont
imparfaits (non idéaux) du point de vue thermodynamique à cause
des résistances que leurs écoulements doivent
surmonter » (31).
Lors de son étude des
systèmes complexes ou denditriques, Bejan nous
explique : « L’imperfection thermodynamique
(les résistances d’écoulement) ne peut être
éliminée, à cause des contraintes de dimension et de temps.
Les résistances doivent être minimisées ensemble
... » (32).
Tout compte fait, l’imperfection
thermodynamique, comme le note l’auteur lui-même, est intimement
liée à la loi constructale. D’une façon
générale, par conséquent, « la loi constructale
est une composante nouvelle et intégrale de la
thermodynamique » (33).
Il n’est pas
étonnant du tout qu’il en soit ainsi chez notre auteur, lui qui
peut être considéré comme une grand spécialiste de la
science en question, son grand ouvrage, Advanced
Engineering.Thermodynamics, témoigne d’une grande connaissance
de cette discipline, puisqu’il y semble au courant de tous ses
développements. D’ailleurs, ses différents écrits
portent soit sur la thermodynamique, soit sur celle-ci en rapport avec
l’ingénierie (34).
De cette façon, on peut
dire, toute proportion gardée, bien entendu, comme le note très
bien Madame Kremer dans son Avant-propos, que notre auteur perpétue une
tradition de penseurs, qui va de Denis Papin (1675), ayant permis aux physiciens
d’examiner le changement de la chaleur en énergie mécanique,
à la famille Carnot, dont le père a, en effet, écrit un
ouvrage intitulé, De la corrélation des figures en
géométrie (1801), où il a exposé un principe
physique, selon lequel « l’efficacité mécanique
diminue tandis qu’augmente la différence de vitesse des parties en
mouvement mises en contact ». Quant au fils aîné,
Léonard Sadi, il a conçu un livre très important en
histoire de la thermodynamique ; il s’agit de Réflexions
sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à
développer cette puissance. Ce ne serait pas faute de dire que le
fils est parti du principe du père qu’il prolonge,
etc...
- Cependant, tout le corpus thermodynamique, que notre auteur
connaît très bien, comme on a vu, ne va pas intéresser la
loi constructale. Bejan va faire un choix conforme à son dessein. Pour
cela, il va s’attacher au second principe de la thermodynamique sous sa
forme tout à fait classique.
Dans le texte qui nous occupe,
on peut rencontrer plusieurs passages qui illustrent cette option
justifiée.
En ce qui concerne les structures simples, les
caractéristiques de ce second principe sont mises en relief. On trouve
l’idée d’optimisation dans l’affirmation suivante, par
exemple : « L’architecture d’écoulement
optimisé est le moyen par lequel le système
d’écoulement accomplit son objectif global sans contraintes »
(35).
L’idée d’équilibre, si essentielle
à cette loi thermodynamique, est nette dans les analyses de notre auteur,
on la rencontre, par exemple, dans cette assertion : « les
meilleures de toutes les structures sont les structures
d’équilibre » etc...D’autre part, on n’a
vraiment pas besoin de citer de textes justifiant l’idée de
croissance, qui est au cœur du principe en question. C’est un
concept-clé dans l’œuvre de Bejan.
De toute
façon, la référence à la seconde loi de la
thermodynamique est explicite dans ce chapitre. Lors de sa réflexion sur
la nature de la géométrie en usage, l’auteur cite
expressément cette loi « ...Ce sont des parentes
géométriques des vérités telles que F= ma, et de
l’observation que toute chose s’écoule du haut en bas
(la seconde loi de la thermodynamique) » (37).
Au niveau des structures dendritiques, l’auteur est moins explicite dans
la mesure où le principe en question n’est pas cité
littéralement. Mais les concepts le définissant figurent bien dans
cette partie de l’œuvre. Outre les idées déjà
indiquées, dont la reprise n’est pas nécessaire ici, on peut
en trouver d’autres qui ne sont pas moins importantes. Bejan disserte sur
le thème de l’irréversibilité, si fondamental dans
cette loi de la thermodynamique, en affirmant, par
exemple : « ...Une résistance minimale signifie une
irréversibilité minimale dans les systèmes avec des
courants internes spécifiés »(38). D’un autre
côté, la référence à Carnot qui est, au fond,
le premier auteur de ce principe, est faite clairement. « C’est
aussi un bon moyen pour rappeler que, oui, effectivement, l’idéal
de Carnot n’était pas pure fantaisie » (39).
Par conséquent, le fondement physique dernier de la loi constructale est
bien la seconde loi de la thermodynamique. Cette conclusion ne concerne pas
uniquement ce livre, que Madame Angèle Kremer Marietti a bien fait de
traduire en langue française, mais toute l’œuvre de Bejan en
rapport avec la question ; on peut, en tout cas, la tirer de Advanced
Engineering – Thermodynamics et de Shape and structure to
Engineering to Nature (40).
Il va de soi que
cette option, que fait l’auteur délibérément, est
tout à fait justifiée et entièrement pertinente,
puisqu’elle s’accommode totalement avec le fond de la loi
constructale.
Bejan n’avait pas besoin du premier principe,
inventé, en fait, bien après l’autre. Ce principe
intéresse la conservation de l’énergie et est
nécessairement complété par le second, car
l’énergie ne peut pas être conservée
éternellement et on a besoin, tôt ou tard, de penser
l’évolution et l’entropie qui la mesure. Mais ce premier
principe, pris en lui-même, ne peut pas être dans le cadre de
l’intention de notre auteur.
Mais, même la seconde loi
sous sa forme statistique boltzmanienne ne convient pas à la
méthode structurale, à cause des idées de
réversibilité et de discontinuité (puisqu’elle porte
sur des molécules discontinues) qu’elle implique. Par
conséquent, l’auteur a bien fait de ne pas y penser.
Il est, par ailleurs, tout à fait naturel que Bejan ne se
réfère pas aux développements récents de la seconde
loi de la thermodynamique, qu’il connaît bien, qui traîtent
des situations de non équilibre et qui prennent, par voie de
conséquence, une allure non linéaire, parce que la thermodynamique
dont notre auteur a fait usage, à juste titre, concerne
l’équilibre, et est linéaire. C’est là une
idée qui ressort aisément de nos analyses (41).
Au
fond, l’auteur revient, encore une fois, aux sources et il n’est
pas, du tout, loin de Carnot qu’il cite, comme on a vu. De toute
façon, il reste particulièrement attaché aux idées
qu’a introduites ce grand initiateur, c'est-à-dire le concept
d’équilibre, qui est, pour ainsi dire, la finalité finale et
dont le lien avec ceux d’irréversibilité et
d’optimisation est certain.
En définitive, on peut
dire que l’universalité d’application physique que montre la
loi constructale repose , en fin de compte, sur le second principe de la
thermodynamique sous sa forme tout à fait classique .
- Par conséquent, sur le plan géométrique, la loi
constructale se déploie dans le cadre général de la
géométrie euclidienne comme elle est communément
enseignée avec, notamment, un accent mis sur l’idée de
continuité qu’elle renferme.
Mais A.Bejan est,
à ce niveau, l’auteur de deux innovations :
1) Par
rapport à l’ingénierie traditionnelle, et contre elle, il
insiste sur la liberté géométrique qui sortirait le design
de l’art et l’engagerait dans la science.
2) Contre la loi
fractale qui s’arrête à des différentielles, il met
l’accent sur l’urgence, qu’il justifie empiriquement, de
monter vers des intégrales, de construire progressivement des assemblages
macroscopiques.
- Sur le plan proprement physique, le caractère
universel des applications de la loi constructale, qui va de la nature inerte et
vivante jusqu'à un domaine très large des disciplines
scientifiques en général (pas seulement physiques), est sûr.
Cependant, notre auteur fait reposer cet éventail fort vaste sur le
second principe de la thermodynamique sous sa forme tout à fait
classique, en s’attachant particulièrement à Sadi Carnot,
l’initiateur de cette loi (41bis).
Au fond, le génie
de notre auteur est d’avoir apporté une révolution à
partir d’éléments géométriques et physiques
(thermodynamiques) classiques fondamentaux, voire élémentaires.
C’est ce dont Bejan nous paraît, d’ailleurs, tout à
fait conscient. En effet, il insiste beaucoup, notamment dans le cours, sur la
nécessité de revenir aux sources, aux fondements et dit, en tout
cas, franchement : « Les exemples simples sont les meilleurs pour
enseigner des leçons qui sont nouvelles » (42).
Ce génie pose une sorte de paradoxe et fait réfléchir sur
le statut d’une révolution dans ses rapports avec le passé
et sur la capacité de ce dernier de nourrir et produire des
nouveautés, etc....
1) Edition l’Harmattan, avec la participation de Sylvie Lorente.
2) Cf la traduction.
3) Cf la préface et le cours dans la traduction, exemples : p. 13-81.
4) Cf préface de l’auteur, Avant propos d’Angèle
Kremer Marietti, traduction, et page 22.
5) Cf Traduction, p. 30, mais aussi 31.
6) Cf Traduction, p. 77, 78.
7) Cf Traduction, p. 78.
8) Cf. Traduction, p. 78.
9) p 78.
10) Cf. Le rationalisme appliqué, PUF
1966, p 25.
11) L’eau et les rêves, Paris
José Corti, 1965, p 103.
12) Cf., p 14, 25 et 38.
13) Cf.,
p 14, 26, 61.
14) Cf.- L.Godeaux, Les géométries, Ed
AColin, 1960, chapitre premier, et les Œuvres d’Euclide, trad.
de F Peyrard, Blanchard 1966.
15) Cf. page 25.
16) Cf. notre article
dans Dogma, février 2007.
17) Cf. p 37.
18) Cf.
p 51.
19) Cf. p 73.
20) Cf. aussi p 59 où il est dit
« Il est beaucoup plus simple d’optimiser le plan de la
structure d’écoulement en minimisant les longueurs des tubes
... »
21) Cf. par exemple, notre livre, L’espace et le
temps chez Newton et Kant, l’Harmattan 2002, 2e partie.
22) Cf., traduction, 22.
23) Ibid
24) Cf. par exemple ch.
6 du premier livre et chapitre 9 du second, etc....
25) Cf Le
matérialisme rationnel, PUF, 1965, p 31.
26) Cf Advanced
Engineering Thermodynamics, ibid, chapitre 13, par exemple.
27) Ibid p
81.
28) Ibid p 91.
29) Ibid p 45-46.
30) Ibid p 51.
31) Ibid
p 21.
32) Ibid p 72.
33) Ibid p 21.
34) Sur la thermodynamique
uniquement, cf., par exemple :
1) Entropy Generation Through and
Fluid Flow, Wiley 1982.
2) Convection Heath transfert, 1984
etc....
Sur la thermodynamique dans ses rapports avec
l’ingénierie, cf. les livres cités de l’auteur,
etc....
35) Ibid, on peut lire aussi à la page 37 de la
traduction : « ... et représentera l’architecture
optimisée la plus complexe... ».
36) Ibid, on peut lire
aussi à la page 37 que l’architecture optimisée est une
structure d’équilibre.
37) Déjà cité, Cf.
p 25. C’est nous qui soulignons.
38) Ibid.
39) p 93.
40)
Ibid, Advanced, ch 13 ; Shape and Structure, ch 3 et 4.
41)
Pour nous documenter sur la thermodynamique, nous avons eu pour supports
essentiels :
a)Les paris de la thermodynamique, de
Chérif Zananiri, Ellipses, 2002.
b)Notre article dans Dogma (juillet 2006), « La genèse de
l’équation,
E=mc2 ».
41bis).
Il n’est pas sans importance de souligner ici que c’est la physique
qui
a la priorité. Nous croyons, en effet, que, parti du
second principe de la
thermodynamique, Bejan ne pouvait pas trouver
mieux que la géométrie
utilisée pour penser le
design constructal.
42) p. 78.
