Primi principi e ascensori senza fune

L’importanza di decidere “cosa non fare”

“Si ritiene che la ruota sia stata inventata intorno al 3500 a.C. dall'Homo sapiens che viveva in Mesopotamia. Viene utilizzata in quasi tutti i modi di trasporto moderni: dai semplici carri, biciclette, motociclette e automobili ai camion, tram, treni e aerei."[1] Il tuo autore crede fermamente che, sebbene la ruota sia la più grande innovazione dell'umanità, "uno più uno uguale a due” è la più grande scoperta dell'umanità.

La ruota può trasformare la rotazione nello spazio finito in un movimento lineare infinito. Il primo principio del trasporto terrestre (orizzontale) è l'uso della ruota; il primo principio della trasmissione dinamica della potenza è la rotazione; il primo principio della matematica è la semplice idea che “uno più uno fa due”.

1. Sfondo

Il tuo autore è stato relatore all'Elevcon 2023, che si è svolto dal 20 al 22 giugno. È stato qui che ho introdotto i progetti di ascensori multifunzionali a doppia cabina in time-sharing per torri residenziali snelle e di lusso.[2] In questo contesto, il 22 giugno ho anche partecipato alla “Sessione 11: Future Elevator Systems”, presieduta dalla Dott.ssa Marja-Liisa Siikonen, MSc, Ph.D., CEO di MLS Lift Consulting Ltd. e presidente di Elevcon 2023 e responsabile del programma. Questa sessione ha riguardato la storia del movimento senza corda, verticale e orizzontale; senza fune, sistemi di sollevamento, simulazione, consumo energetico, mancanza di corrente; e ascensore, spazio e ambiente lunare.

Gli ascensori senza fune sono stati un argomento controverso al congresso. Personalmente, ho scoperto di non essere d'accordo con la maggior parte degli argomenti proposti dai relatori, in particolare con l'ascensore lunare.

Sebbene la Luna ruoti sul proprio asse alla stessa velocità con cui orbita attorno alla Terra, mostrando la stessa faccia verso la Terra, l'orbita verso la Terra è un'ellisse, il che significa che le distanze tra la Terra e la Luna cambiano continuamente.

D'altra parte, la Terra gira attorno al proprio asse una volta ogni 24 ore. Come potrebbe essere costruita una stazione di ancoraggio sulla Terra per mantenere una direzione fissa verso la Luna? C'erano troppi problemi tecnici irrisolti, come il fissaggio delle rotaie di guida nel cielo, la trasmissione di potenza alla cabina dell'ascensore lunare, ecc.

In definitiva, nessuno di questi autori ha una formazione in ingegneria meccanica, ma ha invece una formazione in ingegneria informatica o ingegneria elettrica. Non dubito mai della loro intelligenza e della loro esperienza, ma penso che la loro fiducia nelle loro idee di ingegneria meccanica derivi dall'effetto Dunning-Kruger in quanto "Non sa quello che non sa".

Anche Elon Musk è stato criticato da alcuni esperti, ma Musk ha avuto successo in quasi tutti i suoi progetti in molti campi diversi. In che modo Musk intraprende i suoi progetti per avere così tanto successo? Da allora ho una domanda in mente.

Il 21 giugno ho scoperto che il mio articolo, in cui sostenevo l’inattuabilità dell’ascensore senza fune, era stato pubblicato su ELEVATOR WORLD Europedi maggio-giugno 2023. Questa conclusione è stata raggiunta attraverso le seguenti affermazioni:

• Il progetto/invenzione non deve avere contraddizioni fondamentali irrisolte.
• Il progetto/invenzione non deve disobbedire ad alcun principio TRIZ dell'invenzione.
• "La glassa non sarà mai più costosa della torta."
• Un singolo guasto in un sottosistema non deve mai causare un guasto sistematico.
• Non sfidare mai i limiti; Qualsiasi prodotto meccanico ha una limitazione fisica.

Dopo un'ulteriore riflessione sull'ascensore senza fune, credo che si possa fare affidamento sull'intuizione filosofica per avanzare affermazioni sul progresso tecnologico. La filosofia può dimostrare ciò che non può essere fatto piuttosto che ciò che può essere fatto. Ispirata da Musk, la filosofia basata sui principi primi fornisce nuove intuizioni per accentuare l’affermazione che l’ascensore senza corde è in definitiva irrealizzabile.

2. L'effetto Dunning-Kruger e il primo principio

Il tuo autore è caduto in una “valle della disperazione” (Figura 2) all’età di 19 anni, quando ero uno studente universitario del secondo anno in Cina. Successivamente ho letto molti libri di politica, storia, filosofia e psicologia. Dopo circa 10 anni, ho finalmente ricostruito la mia fiducia nello stato di “Lui sa quello che sa”.

2.1 Introduzione all'effetto Dunning-Kruger

“L’effetto Dunning-Kruger è un pregiudizio cognitivo in cui le persone con competenze limitate in un particolare ambito sopravvalutano le proprie capacità. Alcuni ricercatori includono anche l’effetto opposto per gli high performer: la loro tendenza a sottovalutare le proprie capacità. Nella cultura popolare, l’effetto DunningKruger è spesso frainteso come un’affermazione relativa ad un’eccessiva sicurezza generale di persone con scarsa intelligenza invece di un’eccessiva sicurezza specifica di persone non qualificate in un compito particolare.”[3]

2.2 Introduzione al Primo Principio

“In filosofia e nella scienza, un principio primo è una proposizione o presupposto fondamentale che non può essere dedotto da nessun’altra proposizione o presupposto. In matematica e logica formale, i principi primi sono chiamati assiomi o postulati. In fisica e in altre scienze, si dice che il lavoro teorico parte dai principi primi, o ab initio, se inizia direttamente al livello della scienza consolidata e non fa ipotesi come il modello empirico e l'adattamento dei parametri. Il "pensiero dei principi primi" consiste nel scomporre le cose fino agli assiomi fondamentali in un determinato ambito, prima di ragionare chiedendosi quali sono rilevanti per la questione in questione, quindi incrociando le conclusioni basate sugli assiomi scelti e assicurandosi che le conclusioni non violino alcuno leggi fondamentali.”[4]

Quando lavoravo per un importante appaltatore di ascensori come ingegnere progettista nel reparto di modernizzazione, un giorno il mio manager di riferimento mi chiese di esaminare un problema: c'era un progetto di sostituzione completa di un ascensore per un edificio che aveva un'estensione di un piano al piano terra. superiore. Quando l'installazione dell'ascensore era quasi completata, gli installatori hanno scoperto che le porte ad apertura laterale a due ante non potevano adattarsi al nuovo pavimento a causa di una grande colonna di cemento all'angolo della parete anteriore che era rimasta inosservata durante il sopralluogo di progettazione. Dopo averci pensato per un paio di minuti, ho capito che la soluzione era invece quella di mettere una porta a tre ante con apertura laterale al pavimento. Questo è un esempio di pensare attraverso i principi primi. Poiché la genericità deve essere il primo principio nella progettazione di componenti meccanici fabbricati in serie, la posizione delle serrature e dei rulli delle porte sui pannelli delle porte del primo piano deve essere standardizzata secondo le specifiche di ciascun produttore di ascensori.

Un altro esempio può essere visto quando al mio manager di riferimento è stato chiesto come si dovrebbero distinguere le riparazioni importanti con ammodernamento da parte del suo capo dalla sede centrale globale. Dopo aver passato la domanda al team di progettazione, ho dato una risposta: una riparazione importante diventa una modernizzazione se il controller viene sostituito.

2.3 Il pensiero primo principio di Elon Musk

L’approccio dei primi principi è stato utilizzato da molti grandi pensatori, ma nessuno incarna la filosofia del pensiero dei primi principi in modo più efficace dell’imprenditore Elon Musk.

Nel 2002, Musk iniziò la sua missione per inviare il primo razzo su Marte. Dopo aver visitato numerosi produttori aerospaziali in tutto il mondo, Musk scoprì che il costo per l’acquisto di un razzo era astronomico, fino a 65 milioni di dollari. Dato il prezzo elevato, iniziò a riconsiderare il problema. Musk ha detto in un'intervista:

“La fisica insegna a ragionare partendo dai principi primi piuttosto che per analogia. Quindi ho detto: "Okay, diamo un'occhiata ai primi principi". Di cosa è fatto un razzo? Leghe di alluminio di tipo aerospaziale, oltre ad alcune fibre di titanio, rame e carbonio.' Poi ho chiesto: "Qual è il valore di questi materiali sul mercato delle materie prime?" Si è scoperto che il costo dei materiali di un razzo era circa il 2% del prezzo tipico”.

Invece di acquistare un razzo finito per decine di milioni di dollari, Musk ha deciso di creare la propria azienda, acquistare le materie prime a buon mercato e costruire lui stesso i razzi. È nata SpaceX. Nel giro di pochi anni, SpaceX aveva ridotto il prezzo del lancio di un razzo di quasi 10 volte, pur continuando a realizzare profitti. Musk ha utilizzato i principi primi per ridurre la situazione ai fondamentali, aggirare i prezzi elevati dell’industria aerospaziale e creare una soluzione più efficace. Pensare secondo i principi primi è l'atto di ridurre un processo alle parti fondamentali che sai essere vere e di costruire da lì.[5]

Invece di ricorrere all’invenzione, Musk si attenne alla tecnologia missilistica convenzionale. Ciò significava non solo che la tecnologia e l’esperienza del mercato esistevano già per costruire razzi, ma che avrebbe potuto anche “rendere riutilizzabili le parti del razzo, riutilizzando un razzo booster del primo stadio, con un conseguente risparmio stimato del 30% sul costo di oltre 60 milioni di dollari. Se SpaceX riuscisse a riutilizzare anche il secondo stadio del razzo, i costi diminuirebbero ulteriormente.”[5]

2.4 Il primo principio degli ascensori a trazione elettrica

Il primo principio dell'ascensore elettrico è che deve utilizzare una cabina (cabina), funi, pulegge motrici e un contrappeso. Il contrappeso ha le seguenti funzioni:

• Accanto all'auto, produce l'attrito tra le funi e la puleggia motrice per creare la forza motrice.
• Bilancia la cabina dell'ascensore e il suo carico tramite le funi per dimezzare la forza motrice.
• Fornisce protezione: se la cabina supera l'altezza dell'altezza, il contrappeso colpirà i respingenti per ridurre la forza motrice (attrito) in modo che la cabina dell'ascensore non sia in grado di salire continuamente.

Senza le funi o il contrappeso l'ascensore non funzionerà: la cabina dell'ascensore non può funzionare da sola. Attraverso i principi primi, il meccanismo deve essere il più semplice, diretto ed economico per quanto riguarda la costruzione del dispositivo. (Nota: gli ascensori idraulici o ascensori a tamburo sono forme speciali di ascensori, analogamente alle slitte e agli hovercraft nel trasporto terrestre, che non sono discussi in questo documento.)

3. Presentazione dei motori lineari e dei treni Maglev

“Un motore lineare è un motore elettrico il cui statore e rotore sono 'srotolati', quindi, invece di produrre una coppia (rotazione), produce una forza lineare lungo la sua lunghezza. Tipicamente, la sezione attiva di un motore lineare ha delle estremità, mentre i motori più convenzionali sono disposti come un anello continuo.”[6]

La costruzione del primo treno commerciale a levitazione magnetica (treno maglev) al mondo, il treno maglev di Shanghai, è costata circa 1.2 miliardi di dollari per costruire 30 km (pari a 40,000 dollari al metro). Sfortunatamente, la linea maglev non è stata redditizia. La Shanghai Maglev Transportation Development Co., che gestisce questo particolare servizio, ha subito perdite per oltre 1 miliardo di RMB (circa 136.7 milioni di dollari) tra il 2004 e il 2006.[8] (I dati recenti non sono disponibili perché la situazione sta peggiorando sempre di più.)

Il treno maglev di Shanghai può essere concettualizzato come un motore lineare con lo statore come il binario di 30 km e il rotore come il treno lungo 30 m. È possibile applicare la stessa matematica di un rotore convenzionale a un motore lineare per valutare il rapporto costo-efficacia della trasmissione di potenza. Mentre il binario da 30 km può essere concettualizzato come uno statore disposto in un anello continuo con un diametro di 9.554 km (30km÷3.14), il treno da 30 m può essere concettualizzato come un rotore disposto in un motore convenzionale con un diametro di 9.554 m (30m÷3.14). Poiché il diametro del rotore è solo l'1‰ (un millesimo) del diametro dello statore, il rapporto costo-efficacia nella trasmissione di potenza di un motore convenzionale è pari o inferiore all'1‰ (un millesimo). Da ciò si possono trarre le seguenti conclusioni:

• Sebbene i treni a levitazione magnetica siano un’innovazione originale, violano il primo principio del trasporto terrestre (orizzontale) (l’uso della ruota).
• I treni Maglev sono estremamente convenienti. Inoltre, più lungo è il viaggio, minore sarà il ritorno sull’investimento.
• Gli ascensori senza fune sono il risultato di un pensiero analogico che viola il primo principio del trasporto verticale (VT) e sono soggetti agli stessi problemi dei treni a levitazione magnetica.

Un controesempio per l'ascensore senza funi/senza contrappeso: "Il tempo più veloce per digitare un testo prescritto di 103 caratteri su una tastiera utilizzando il naso è 40.19 s."[9] Ma usare le dita per digitare lettere su una tastiera è il primo principio di progettare la tastiera, e non è mai stato previsto che il naso venisse utilizzato per scrivere, quindi questo Guinness World Record non solo è privo di significato ma anche ridicolo.

4. Rapporto tra teorie e pratica (tecnologia)

Il tuo autore ritiene che i concetti siano più importanti della conoscenza e che il pensiero sia più importante dei concetti. Mentre le teorie possono spiegare il “perché”, la tecnologia può spiegare il “come”. Conoscere il “perché” è saggezza, e sapere il “come” è intelligenza: il “perché” è la madre del “come”. Pertanto, penso che la teologia (religione) sia la madre della filosofia, la filosofia sia la madre della scienza e la scienza sia la madre della tecnologia. Teologia e filosofia sono la saggezza, mentre scienza e tecnologia sono l'intelligenza. 

La mia comprensione della relazione tra religione, filosofia, scienza e tecnologia è mostrata nella Figura 6. Dall'albero delle relazioni, credo che la filosofia possa dimostrare che l'ascensore senza corde non è fattibile.

5. Classificazione delle innovazioni

La mia comprensione della scienza è che la scienza è un metodo di classificazione che utilizza metodi fisici, chimici e biologici per misurare mentre utilizza la matematica per quantificare. La scienza può essere utilizzata per determinare la natura della causalità tra eventi o materia. Credo che tutte le innovazioni possano essere classificate in due tipologie:

• Innovazioni originali, come la bicicletta, il motore a vapore, il motore a combustione interna, il telefono, Internet, la televisione, la macchina fotografica, l'ascensore, la scala mobile, il treno a levitazione magnetica, il telefono cellulare, l'eBook, ecc. Il principio fondamentale delle innovazioni originali è chiamato il primo principio. I treni Maglev sono una nuova innovazione totalmente diversa da un treno ad alta velocità su ruote.
• Migliorare le innovazioni. Questo tipo di innovazione è più facile da realizzare, proprio come l'auto elettrica di Musk (alimentata da batteria anziché da carburante), il riutilizzo del razzo (il razzo è ancora il razzo), il personal computer di Steve Jobs (che era un computer aziendale semplificato) , iPhone, iPad. Non hanno violato il primo principio di questi prodotti e stanno tutti migliorando le innovazioni, come l'iPhone (smartphone) è un prodotto che combina insieme una fotocamera, un telefono cellulare, un iPad e Internet mobile.

Gli ascensori senza fune sono un'innovazione originale. Usano il primo principio dei treni maglev per creare qualcosa, ma lo chiamano ascensore. Poiché viola il primo principio dell’ascensore a trazione, sarà comunque un fallimento.

Al giorno d’oggi, le innovazioni di maggior successo sono i miglioramenti. Inoltre, perché il miglioramento delle innovazioni è spesso il risultato di scoperte nelle esigenze dei clienti; pertanto, questi innovatori non sono tanto geni tecnici quanto geni commerciali.

6. Innovare l'ascensore del futuro

Spesso sentiamo il detto: "Non inventare una bicicletta", che significa perdere tempo cercando di creare qualcosa che qualcun altro ha già creato o ottimizzato. Le due ruote, il manubrio e il telaio come primi elementi principali non possono essere ridotti, ma le catene possono essere sostituite da cinghie dentate o coppie coniche.

Allo stesso modo, dalla Figura 3, si può vedere che il meccanismo dell'ascensore che costituisce i primi principi dell'ascensore è l'innovazione originale. Questi primi principi non possono essere infranti. Tuttavia, dalla trasmissione di potenza all’intelligenza artificiale, tutti i componenti dei sistemi di controllo possono essere migliorati. Si possono anche migliorare gli elementi della cabina dell'ascensore, delle funi e della puleggia motrice come segue:

• Cabina ascensore: cabina leggera, interfaccia, controllo porte cabina, pannello operativo cabina
• Puleggia motrice: metodi per aumentare l'attrito superficiale, come nuovo materiale per la superficie per ridurre il numero di funi in modo da ridurre il peso totale delle funi
• Corde: cinghie, corde leggere, corde ultraleggere

La Figura 9 mostra una fune d'acciaio D16 che ha un peso di 1.03 kg/m. Supponendo un ascensore da 2000 kg in grado di percorrere 1,000 m e supponendo che l'ascensore abbia 5 funi D16, il peso delle funi sarebbe di 5000 kg. Se si prendono in considerazione le funi di compensazione, il peso totale delle funi fissate alla cabina dell'ascensore e al contrappeso sarà di circa 10 t.

Il mio primo suggerimento ai produttori di ascensori è che se si hanno risorse ingegneristiche da investire nella ricerca di ascensori senza funi/senza contrappeso, sarebbe meglio spenderle nella ricerca di funi leggere.

7. CONCLUSIONE

Personalmente credo che qualsiasi cosa creata dall'uomo abbia i suoi principi primi. Sebbene ognuno abbia la propria comprensione del primo principio, credo che il primo principio della filosofia sia la sostenibilità, il primo principio della scienza sia l'autenticità, il primo principio della tecnologia sia il rapporto costo-efficacia e il primo principio del commercio sia l'esigenza del cliente.

Si possono trarre le seguenti conclusioni:

1. Le innovazioni possono essere classificate in due modi:

• Le innovazioni originali sono molto difficili da realizzare. Al giorno d'oggi è quasi impossibile per qualsiasi individuo realizzare un'innovazione originale poiché richiede la creazione di un nuovo concetto e di un principio primo, ed è sconsigliabile dedicare una quantità eccessiva di tempo alla ricerca di tali innovazioni: ad esempio, cercare di inventare qualcosa come gli UFO. .
• Migliorare le innovazioni è molto più semplice e ha maggiori probabilità di essere realizzato.

2. Il treno maglev è un'innovazione originale. Sebbene sia tecnicamente fattibile, viola il primo principio del trasporto terrestre e non sarà commercialmente fattibile.

3. Gli ascensori senza fune/senza contrappeso sono il risultato di un pensiero analogico basato sul treno maglev. Ciò viola il primo principio del VT dei grattacieli, quindi sarà irrealizzabile sia dal punto di vista tecnico che commerciale. Sebbene la tecnologia dei motori lineari possa essere utilizzata per i treni a levitazione magnetica, non è appropriata per gli ascensori a trazione.

4. Bill Gates, Jobs, Jeff Bezos, Musk e così via hanno (hanno avuto) molto successo nei loro campi: il motivo principale è che hanno sempre seguito il primo principio nello sviluppo dei prodotti. In realtà sono filosofi piuttosto che geni della tecnica.

5. La direzione dello sviluppo del prodotto per i futuri ascensori dovrebbe essere quella di migliorare le innovazioni nel sistema di controllo, nel sistema di guida e nelle funi, ad esempio attraverso il sistema di rete informatica nella fossa dell'ascensore, nella sala macchine e in testata (per aumentare affidabilità). Ulteriori innovazioni si possono trovare nei sistemi di comunicazione wireless, negli ascensori elettrici senza cavi per cabine a molti piani, nella tecnologia AI nella gestione dei guasti e, soprattutto, attraverso l’uso di funi in fibra di carbonio al posto di funi in acciaio.

8. Note dell'autore

Il primo principio di un'azienda deve essere la redditività. Il mio ex capo, il signor Adrian Godwin (1958-2019), che aveva una formazione in ingegneria elettronica ed era anche considerato da molti esperti un genio della tecnica, ha speso molto tempo e denaro nella sua ricerca sugli ascensori senza funi e senza contrappeso. È stato criticato da un ex collega che ha detto: "Fa solo quello che gli piace". L'ascensore senza funi di Godwin era solo un'idea approssimativa, per non parlare di un progetto: come potrebbe essere utilizzato in progetti reali? Pensavo che fosse pazzo in quel momento.

Quando ho sentito la triste notizia della scomparsa di Godwin il 30 aprile 2019, ho pubblicato la seguente immagine (Figura 10) su LinkedIn.

Ma ho aggiunto un commento: “La libertà non è che puoi fare ciò che ti piace, ma che non puoi fare ciò che non ti piace”. Credo che “non fare ciò che non ti piace” sia il primo principio di libertà.

Credo che sapere “cosa non fare” sia saggezza, mentre sapere “cosa fare” sia intelligenza. Pertanto, vorrei condividere un'altra citazione di Jobs con quei colleghi che sono ancora coinvolti nello sviluppo degli ascensori senza fune: "Decidere cosa non fare è importante quanto decidere cosa fare".

Referenze

[1] Invenzione della ruota: perché e quando è stata inventata la ruota (scienceabc.com)
[2] Ispirazione dallo Shard London, Elevator WorldNovembre 2021
[3] Effetto Dunning-Kruger - Wikipedia
[4] Primo principio - Wikipedia
[5] Primi principi: Elon Musk sul potere di pensare con la propria testa (jamesclear.com)
[6] Motore lineare - Wikipedia
[7] Principio del motore – InTraSys italiano (intrasys-gmbh.com)
[8] Shanghai Maglev Train: il treno più veloce da PVG al centro di Shanghai, appunti e guide di viaggio - Guide di viaggio Trip.com
[9] Tempo più veloce per digitare usando il naso | Guinness dei primati