Primeros principios y ascensores sin cuerdas

La importancia de decidir “qué no hacer”

“Se cree que la rueda fue inventada alrededor del año 3500 a. C. por el Homo sapiens que vivía en Mesopotamia. Se utiliza en casi todos los modos de transporte modernos, desde carritos básicos, bicicletas, motocicletas y automóviles hasta camiones, tranvías, trenes y aviones”. [1] Su autor cree firmemente que, si bien la rueda es la mayor innovación de la humanidad, “uno más uno es igual a dos” es el mayor descubrimiento de la humanidad.

La rueda puede transformar la rotación en un espacio finito en un movimiento lineal infinito. El primer principio del transporte terrestre (horizontal) es el uso de la rueda; el primer principio de la transmisión dinámica de potencia es la rotación; El primer principio de las matemáticas es la simple idea de que "uno más uno es igual a dos".

1. Fondo

Su autor fue orador en Elevcon 2023, que tuvo lugar del 20 al 22 de junio. Fue aquí donde introduje diseños de ascensores multifuncionales de tiempo compartido para dos coches para esbeltas torres residenciales de lujo.[2] Como parte de esto, también asistí el 22 de junio a la “Sesión 11: Futuros sistemas de ascensores”, que estuvo presidida por la Dra. Marja-Liisa Siikonen, MSc, Ph.D., directora ejecutiva de MLS Lift Consulting Ltd. y presidenta de Elevcon 2023. y director del programa. Esta sesión cubrió la historia del movimiento sin cuerda, vertical y horizontal; sin cables, sistemas de elevación, simulación, consumo de energía, corte de energía; y ascensor, espacio y entorno lunar.

Los ascensores sin cuerda fueron un tema controvertido en el congreso. Personalmente, encontré que no estaba de acuerdo con la mayoría de los argumentos propuestos por los oradores, especialmente el ascensor lunar.

Aunque la Luna gira sobre su propio eje al mismo ritmo que orbita la Tierra, mostrando la misma cara hacia la Tierra, la órbita hacia la Tierra es una elipse, lo que significa que las distancias entre la Tierra y la Luna siempre cambian.

Por otra parte, la Tierra gira sobre su propio eje una vez cada 24 h. ¿Cómo podría construirse una estación de anclaje en la Tierra para mantener una dirección fija hacia la Luna? Había demasiados problemas técnicos sin resolver, como la fijación de los carriles guía en el cielo, la transmisión de energía a la cabina del ascensor lunar, etc.

En última instancia, ninguno de esos autores tiene experiencia en ingeniería mecánica, sino en ingeniería informática o ingeniería eléctrica. Nunca dudo de su inteligencia en su experiencia, pero creo que su confianza en sus ideas en ingeniería mecánica se debe al efecto Dunning-Kruger: "Él no sabe lo que no sabe".

Elon Musk también fue criticado por algunos expertos, pero Musk ha tenido éxito en casi todos sus proyectos en muchos campos diferentes. ¿Cómo afronta Musk sus proyectos para tener tanto éxito? Desde entonces tengo una pregunta en mente.

El 21 de junio descubrí que mi artículo, en el que sostenía que el ascensor sin cables no es factible, había sido publicado en ELEVATOR WORLD EuropeEdición de mayo-junio de 2023. Esta conclusión se llegó a través de las siguientes declaraciones:

• El diseño/invención no debe tener contradicciones fundamentales sin resolver.
• El diseño/invención no debe desobedecer ningún principio de invención de TRIZ.
• "El glaseado nunca será más caro que el pastel".
• Una sola avería en un subsistema nunca provocará una falla sistemática.
• Nunca desafiar la limitación; Cualquier producto mecánico tiene una limitación física.

Después de reflexionar más sobre el ascensor sin cuerda, creo que uno puede confiar en la visión filosófica para hacer afirmaciones sobre el progreso tecnológico. La filosofía puede demostrar lo que no se puede hacer en lugar de lo que se puede hacer. Inspirada por Musk, la filosofía a través de los primeros principios proporciona nuevos conocimientos para acentuar la afirmación de que el ascensor sin cables es, en última instancia, inviable.

2. El efecto Dunning-Kruger y el primer principio

Su autor cayó en un “valle de la desesperación” (Figura 2) a los 19 años, cuando yo era un estudiante universitario de segundo año en China. Después de eso, leí muchos libros sobre política, historia, filosofía y psicología. Después de aproximadamente 10 años, finalmente reconstruí mi confianza al estado de "Él sabe lo que sabe".

2.1 Introducción al efecto Dunning-Kruger

“El efecto Dunning-Kruger es un sesgo cognitivo en el que las personas con competencia limitada en un dominio particular sobreestiman sus habilidades. Algunos investigadores también incluyen el efecto contrario para los trabajadores de alto rendimiento: su tendencia a subestimar sus habilidades. En la cultura popular, el efecto DunningKruger a menudo se malinterpreta como una afirmación sobre el exceso de confianza general de las personas con baja inteligencia en lugar del exceso de confianza específico de las personas no capacitadas para una tarea particular.”[3]

2.2 Introducción del primer principio

“En filosofía y ciencia, un primer principio es una proposición o supuesto básico que no puede deducirse de ninguna otra proposición o supuesto. En matemáticas y lógica formal, los primeros principios se denominan axiomas o postulados. En física y otras ciencias, se dice que el trabajo teórico parte de los primeros principios, o ab initio, si comienza directamente en el nivel de la ciencia establecida y no hace suposiciones como el modelo empírico y el ajuste de parámetros. El 'pensamiento de primeros principios' consiste en descomponer las cosas en los axiomas fundamentales en el campo dado, antes de razonar preguntando cuáles son relevantes para la pregunta en cuestión, luego cruzar las conclusiones basadas en los axiomas elegidos y asegurarse de que las conclusiones no violen ningún leyes fundamentales.”[4]

Cuando trabajaba para un contratista líder de ascensores como ingeniero de diseño de proyectos en el departamento de modernización, un día mi superior inmediato me pidió que analizara un problema: había un proyecto de ascensor de reemplazo completo para un edificio que tenía una extensión de un piso en el arriba. Cuando la instalación del ascensor estaba casi terminada, los instaladores descubrieron que las puertas laterales de dos paneles no podían encajar en el nuevo suelo debido a una gran columna de hormigón en la esquina de la pared frontal que pasó desapercibida durante el estudio de diseño. Después de pensar un par de minutos, me di cuenta de que la solución era colocar una puerta de apertura lateral de tres paneles en el suelo. Este es un ejemplo de cómo pensar a través de los primeros principios. Debido a que la generecidad debe ser el primer principio en el diseño de componentes mecánicos fabricados masivamente, la ubicación de las cerraduras y rodillos de las puertas en los paneles de las puertas del primer piso debe estandarizarse de acuerdo con las especificaciones de cada fabricante de ascensores.

Otro ejemplo se puede ver cuando su jefe le preguntó a mi superior inmediato cómo distinguir entre reparación importante y modernización de la sede central global. Después de pasar la pregunta al equipo de diseño, le di una respuesta: una reparación importante se convierte en una modernización si se reemplaza el controlador.

2.3 El pensamiento del primer principio de Elon Musk

El enfoque de los primeros principios ha sido utilizado por muchos grandes pensadores, pero nadie encarna la filosofía del pensamiento de los primeros principios de manera más efectiva que el empresario Elon Musk.

En 2002, Musk inició su búsqueda para enviar el primer cohete a Marte. Después de visitar varios fabricantes aeroespaciales de todo el mundo, Musk descubrió que el coste de comprar un cohete era astronómico: hasta 65 millones de dólares. Ante el alto precio, empezó a repensar el problema. Musk dijo en una entrevista:

“La física te enseña a razonar a partir de primeros principios y no por analogía. Entonces dije: 'Está bien, veamos los primeros principios'. ¿De qué está hecho un cohete? Aleaciones de aluminio de calidad aeroespacial, además de algo de titanio, cobre y fibra de carbono. Luego pregunté: '¿Cuál es el valor de esos materiales en el mercado de productos básicos?' Resultó que el coste de los materiales de un cohete era alrededor del 2% del precio típico”.

En lugar de comprar un cohete terminado por decenas de millones de dólares, Musk decidió crear su propia empresa, comprar las materias primas a bajo precio y construir los cohetes él mismo. Nació SpaceX. En unos pocos años, SpaceX había reducido el precio de lanzamiento de un cohete casi 10 veces sin dejar de obtener ganancias. Musk utilizó el pensamiento de primeros principios para desglosar la situación hasta los fundamentos, evitar los altos precios de la industria aeroespacial y crear una solución más efectiva. El pensamiento de primeros principios es el acto de reducir un proceso a las partes fundamentales que sabes que son verdaderas y construir a partir de ahí.[5]

En lugar de recurrir a inventos, Musk se apegó a la tecnología de cohetes convencional. Esto no sólo significaba que ya existía la tecnología y la experiencia del mercado para construir cohetes, sino que también podía “hacer que las piezas del cohete fueran reutilizables, reutilizando un cohete propulsor de primera etapa, lo que daría como resultado un ahorro estimado del 30% en el costo de más de 60 millones de dólares. Si SpaceX también logra reutilizar la segunda etapa del cohete, los costos bajarán aún más”.[5]

2.4 El primer principio de los ascensores de tracción eléctrica

El primer principio del ascensor de tracción eléctrica es que debe utilizar una cabina (cabina), cables, poleas motrices y un contrapeso. El contrapeso tiene las siguientes funciones:

• Junto al vagón, produce la fricción entre los cables y la polea motriz para crear la fuerza motriz.
• Equilibra la cabina del ascensor y su carga mediante los cables para reducir la fuerza motriz a la mitad.
• Proporciona protección: si la cabina se desplaza demasiado hacia el espacio libre, el contrapeso golpeará los topes para reducir la fuerza motriz (fricción) de modo que la cabina del ascensor no pueda subir continuamente.

Sin las cuerdas o el contrapeso, el ascensor no funcionará: la cabina del ascensor no puede funcionar sola. A través de primeros principios, el mecanismo debe ser el más simple, directo y rentable en cuanto a la construcción del dispositivo. (Nota: Los elevadores hidráulicos o elevadores de tambor son formas especiales de elevadores, al igual que los trineos y aerodeslizadores en el transporte terrestre, que no se analizan en este documento).

3. Presentación de motores lineales y trenes Maglev

“Un motor lineal es un motor eléctrico al que se le ha 'desenrollado' el estator y el rotor, por lo que, en lugar de producir un par (rotación), produce una fuerza lineal a lo largo de su longitud. Característicamente, la sección activa de un motor lineal tiene extremos, mientras que los motores más convencionales están dispuestos como un bucle continuo”.[6]

La construcción del primer tren magnético comercial de levitación magnética (tren maglev) del mundo, el tren maglev de Shanghai, costó aproximadamente 1.2 millones de dólares para construir 30 kilómetros (lo que equivale a 40,000 dólares por metro). Desafortunadamente, la línea maglev no ha sido rentable. La Shanghai Maglev Transportation Development Co., que opera este servicio en particular, sufrió pérdidas de más de mil millones de RMB (aproximadamente 1 millones de dólares EE.UU.) entre 136.7 y 2004.[2006] (Los datos recientes no están disponibles porque la situación está empeorando cada vez más).

El tren maglev de Shanghai puede conceptualizarse como un motor lineal con el estator como la vía de 30 km y el rotor como el tren de 30 m de largo. Se pueden aplicar las mismas matemáticas de un rotor convencional a un motor lineal para evaluar la rentabilidad de la transmisión de potencia. Mientras que la vía de 30 km puede conceptualizarse como un estator dispuesto en un bucle continuo con un diámetro de 9.554 km (30 km÷3.14), el tren de 30 m puede conceptualizarse como un rotor dispuesto en un motor convencional con un diámetro de 9.554 m (30m÷3.14). Debido a que el diámetro del rotor es sólo 1‰ (una milésima) del diámetro del estator, la rentabilidad en la transmisión de potencia de un motor convencional es 1‰ (una milésima) o menos. De esto se pueden sacar las siguientes conclusiones:

• Si bien los trenes maglev son una innovación original, violan el primer principio del transporte terrestre (horizontal) (el uso de la rueda).
• Los trenes Maglev son extremadamente rentables. Además, cuanto más largo sea el viaje, menor será el retorno de la inversión.
• Los ascensores sin cables son el resultado de un pensamiento analógico que viola el primer principio del transporte vertical (VT) y son propensos a sufrir los mismos problemas que los trenes maglev.

Un contraejemplo para un ascensor sin cuerdas ni contrapeso: “El tiempo más rápido para escribir un texto prescrito de 103 caracteres en un teclado usando la nariz es 40.19 s”. [9] Pero usar los dedos para escribir letras en un teclado es el primer principio de diseñar el teclado, y nunca se esperó que la nariz se usara para escribir, por lo que este récord mundial Guinness no sólo no tiene sentido sino que también es ridículo.

4. Relación entre Teorías y Práctica (Tecnología)

Su autor cree que los conceptos son más importantes que el conocimiento y que el pensamiento es más importante que los conceptos. Mientras que las teorías pueden explicar el “por qué”, la tecnología puede explicar el “cómo”. Saber el “por qué” es sabiduría y saber el “cómo” es inteligencia: el “por qué” es la madre del “cómo”. Por lo tanto, tengo la idea de que la teología (religión) es la madre de la filosofía, la filosofía es la madre de la ciencia y la ciencia es la madre de la tecnología. La teología y la filosofía son la sabiduría, mientras que la ciencia y la tecnología son la inteligencia. 

Mi comprensión sobre la relación entre religión, filosofía, ciencia y tecnología se muestra en la Figura 6. A partir del árbol de relaciones, creo que la filosofía puede demostrar que el levantamiento sin cuerdas es inviable.

5. Clasificación de las innovaciones

Mi comprensión de la ciencia es que la ciencia es un método de clasificación que utiliza métodos físicos, químicos y biológicos para medir mientras usa las matemáticas para cuantificar. La ciencia se puede utilizar para determinar la naturaleza de la causalidad entre eventos o materia. Creo que todas las innovaciones se pueden clasificar en dos tipos:

• Innovaciones originales, como la bicicleta, la máquina de vapor, el motor de combustión interna, el teléfono, Internet, la televisión, la cámara, el ascensor, las escaleras mecánicas, el tren maglev, el teléfono móvil, el libro electrónico, etc. El principio fundamental de las innovaciones originales se llama primer principio. Los trenes Maglev son una nueva innovación que es totalmente diferente de un tren de alta velocidad con ruedas.
• Mejora de las innovaciones. Este tipo de innovación es más fácil de lograr, al igual que el automóvil eléctrico de Musk (que funciona con batería en lugar de combustible), la reutilización del cohete (el cohete sigue siendo el cohete), la computadora personal de Steve Jobs (que era una computadora comercial simplificada) , iPhone, iPad. No violaron el primer principio de esos productos y todos están mejorando innovaciones, como el iPhone (teléfono inteligente) es un producto que combina una cámara, un teléfono móvil, un iPad e Internet móvil.

Los ascensores sin cuerda son una innovación original. Usan el primer principio de los trenes maglev para hacer algo, pero lo llaman ascensor. Como viola el primer principio de elevación por tracción, será un fracaso de todos modos.

Hoy en día, las innovaciones más exitosas son las mejoras. Además, porque las innovaciones mejoradas suelen ser el resultado de descubrimientos en las necesidades de los clientes; por lo tanto, estos innovadores no son tanto genios técnicos como genios comerciales.

6. Innovando en el ascensor del futuro

A menudo escuchamos el dicho "No inventes una bicicleta", que significa perder el tiempo intentando crear algo que otra persona ya ha creado u optimizado. Las dos ruedas, el manillar y el cuadro como primeros elementos principales no se pueden reducir, pero las cadenas se pueden sustituir por correas dentadas o engranajes cónicos.

De manera similar, en la Figura 3, se puede ver que el mecanismo del ascensor que forma los primeros principios del ascensor es la innovación original. Estos primeros principios no se pueden romper. Sin embargo, desde la transmisión de potencia hasta la IA, todos los componentes de los sistemas de control se pueden mejorar. También se pueden mejorar elementos de la cabina del ascensor, los cables y la polea motriz de la siguiente manera:

• Cabina elevadora: cabina liviana, interfaz, control de puertas de cabina, panel de operación de cabina
• Polea motriz: métodos para aumentar la fricción de la superficie, como material nuevo para la superficie para reducir la cantidad de cables y reducir el peso total de los cables.
• Cuerdas: cinturones, cuerdas ligeras, cuerdas ultraligeras.

La Figura 9 muestra un cable de acero D16 que tiene un peso de 1.03 kg/m. Suponiendo un ascensor de 2000 kg que puede recorrer 1,000 m, y suponiendo que el ascensor tendría 5 cuerdas D16, el peso de las cuerdas sería de 5000 kg. Si se tienen en cuenta los cables de compensación, el peso total de los cables sujetos a la cabina del ascensor y al contrapeso rondará las 10 t.

Mi primera sugerencia a los fabricantes de ascensores es que si tienen los recursos de ingeniería para gastarlos en la investigación de ascensores sin cables ni contrapeso, sería mejor gastarlos en la investigación de cables ligeros.

7. Conclusión

Personalmente creo que todo lo creado por el hombre tiene sus primeros principios. Aunque cada uno tiene su propia comprensión del primer principio, creo que el primer principio de la filosofía es la sostenibilidad, el primer principio de la ciencia es la autenticidad, el primer principio de la tecnología es la rentabilidad y el primer principio del comercio es la necesidad del cliente.

Se pueden sacar las siguientes conclusiones:

1. Las innovaciones pueden clasificarse de dos formas:

• Las innovaciones originales son muy difíciles de realizar. Hoy en día es casi imposible para cualquier individuo realizar una innovación original, ya que requiere la creación de un nuevo concepto y primer principio, y no es aconsejable dedicar demasiado tiempo a descubrirlos: por ejemplo, intentar inventar algo como los ovnis. .
• Mejorar las innovaciones es mucho más fácil y es más probable que se realice.

2. El tren maglev es una innovación original. Aunque es técnicamente viable, incumple el primer principio del transporte terrestre y no será viable comercialmente.

3. Los ascensores sin cuerdas ni contrapeso son el resultado de un pensamiento analógico basado en el tren maglev. Esto incumple el primer principio de la VT en altura, por lo que será inviable tanto técnica como/o comercialmente. Si bien la tecnología de motores lineales se puede utilizar para trenes maglev, no es apropiada para ascensores de tracción.

4. Bill Gates, Jobs, Jeff Bezos, Musk, etc. tienen (tuvieron) mucho éxito en sus campos; la razón principal es que siempre siguieron el primer principio al desarrollar productos. En realidad, son más filósofos que genios técnicos.

5. La dirección del desarrollo de productos para futuros ascensores debería ser mejorar las innovaciones en el sistema de control, el sistema de accionamiento y los cables, como a través del sistema de red informática en el foso del ascensor, en la sala de máquinas y en la altura libre (para aumentar fiabilidad). Se pueden encontrar más innovaciones en los sistemas de comunicación inalámbrica, en los ascensores eléctricos sin cables para cabinas de ascensores de gran altura, en la tecnología de inteligencia artificial en la gestión de averías y, especialmente, en el uso de cables de fibra de carbono en lugar de cables de acero.

8. Notas del autor

El primer principio de una empresa será la rentabilidad. Mi antiguo jefe, el Sr. Adrian Godwin (1958-2019), que tenía experiencia en ingeniería electrónica y también era considerado por muchos expertos como un genio técnico, dedicó mucho tiempo y dinero a su investigación sobre ascensores sin cables ni contrapeso. Un ex colega lo criticó y dijo que “simplemente hace lo que le gusta”. El ascensor sin cables de Godwin era sólo una idea aproximada, y mucho menos un diseño: ¿cómo podría utilizarse en proyectos reales? Pensé que estaba loco en ese momento.

Cuando escuché la triste noticia del fallecimiento de Godwin el 30 de abril de 2019, publiqué la siguiente imagen (Figura 10) en LinkedIn.

Pero le agregué un comentario: “La libertad no es que puedas hacer lo que quieras, sino que no puedas hacer lo que no te guste”. Creo que “no hacer lo que no te gusta” es el primer principio de la libertad.

Creo que saber “qué no hacer” es sabiduría, mientras que saber “qué hacer” es inteligencia. Por lo tanto, me gustaría compartir otra cita de Jobs con aquellos colegas que todavía están involucrados en el desarrollo de los ascensores sin cable: "Decidir qué no hacer es tan importante como decidir qué hacer".

Referencias

[1] Invención de la rueda: por qué y cuándo se inventó la rueda (cienciaabc.com)
[2] Inspiración del Shard London, Elevator World, Noviembre de 2021
[3] Dunning–Kruger effect - Wikipedia
[4] First principle - Wikipedia
[5] Primeros principios: Elon Musk sobre el poder de pensar por uno mismo (jamesclear.com)
[6] Linear motor - Wikipedia
[7] Principio del motor – InTraSys español (intrasys-gmbh.com)
[8] Tren Maglev de Shanghai: el tren más rápido desde PVG al centro de Shanghai, notas y guías de viaje – Guías de viaje de Trip.com
[9] El momento más rápido para escribir usando la nariz | Records Mundiales Guinness