Kas Kassid on vedelad?

Vastates küsimusele, mis võitis mulle Ig Nobeli auhinna: kas kassid on vedelad?

Õigetes tingimustes võivad kasside kehad käituda nagu vedelikud. John Benson/Flickr , CC BY

Vedelik on traditsiooniliselt defineeritud kui materjal, mis kohandab oma kuju mahutisse sobivaks. Kuid teatud tingimustel näivad kassid selle määratluse jaoks sobivat.

Siin käitub kass, kelle keha mahub ideaalselt kraanikaussi, nagu vedelik. William McCamment , CC BY-SA

See mõnevõrra paradoksaalne tähelepanek tekkis veebis paar aastat tagasi ja ühines meie kassidest sõpradega seotud Interneti-meemide pika nimekirjaga. Kui ma seda küsimust esimest korda nägin, ajas see mind naerma ja siis mõtlema. Otsustasin selle ümber sõnastada, et illustreerida mõningaid probleeme reoloogias , aine deformatsioonide ja voogude uurimises. Minu uurimus kasside reoloogiast võitis 2017. aasta Ig Nobeli füüsikaauhinna.

Auhindu annab igal aastal välja teadusele ja huumorile pühendunud organisatsioon Improbable Research. Eesmärk on tõsta esile teaduslikke uuringuid, mis panevad inimesed esmalt naerma ja seejärel mõtlema. Igal aastal toimub Harvardi ülikoolis tseremoonia .

Mis on vedelik?

Vedeliku määratluse keskmes on toiming: materjal peab suutma muuta oma vormi mahutisse mahutamiseks. Tegevusel peab olema ka iseloomulik kestus. Reoloogias nimetatakse seda lõõgastusajaks. Selle kindlaksmääramine, kas midagi on vedel, sõltub sellest, kas seda vaadeldakse aja jooksul, mis on lühem või pikem kui lõõgastusaeg.

Kui võtame kassid eeskujuks, on tõsiasi, et kui anname neile piisavalt aega, saavad nad oma kuju oma konteineriga kohandada. Kassid on seega vedelad, kui anname neile aega vedelaks muutuda. Reoloogias ei ole materjali olek tegelikult kindel omadus – mõõta tuleb lõõgastusaega. Mis on selle väärtus ja millest see sõltub? Näiteks kas kassi lõõgastusaeg varieerub sõltuvalt tema vanusest? (Reoloogias räägime tiksotroopiast .)

Kas konteineri tüüp võib olla tegur? (Reoloogias uuritakse seda "märgamise" probleemide puhul.) Või kas see varieerub sõltuvalt kassi stressiastmest? (Räägitakse "nihkepaksenemisest", kui lõõgastusaeg pikeneb stressiga, või "nihke hõrenemisest", kui see on vastupidine.) Loomulikult peame silmas stressi pigem mehaanilises kui emotsionaalses tähenduses, kuid need kaks tähendust võivad teatud juhtudel kattuda.

Mööda orgu alla voolav liustik.

"Debora number" ja mägede vool

Kassid näitavad selgelt, et materjali oleku määramine nõuab kahe ajaperioodi võrdlemist: lõõgastusaeg ja katseaeg, mis on aeg, mis on möödunud konteineri algatatud deformatsiooni algusest. Näiteks võib see olla aeg, mis on möödunud ajast, mil kass kraanikaussi astus. Tavaliselt jagatakse lõdvestusaeg katseajaga ja kui tulemus on suurem kui 1, on materjal suhteliselt tahke; kui tulemus on väiksem kui 1, on materjal suhteliselt vedel.

Seda nimetatakse Debora numbriks pärast seda, kui piibli preestrinna märkis, et geoloogilises ajaskaalas (“Jumala ees”) voolasid isegi mäed. Lühema aja skaalal võib näha liustikke järk-järgult orgudest alla voolamas.

Isegi kui lõõgastusaeg on väga pikk (päevad, aastad), võib käitumine olla vedeliku käitumine, kui Debora arv on väike (võrreldes 1-ga). Ja vastupidi, isegi kui lõõgastusaeg on väga väike (millisekundites), võib käitumine olla tahke keha käitumine, kui Debora arv on suur (võrreldes 1-ga). Seda juhul, kui vaadeldakse veepalli selle hüppamise hetkel.

Debora arv on näide mõõtmeteta arvust: kuna jagame ühe ajaperioodi teisega, ei ole suhtarvul ühikut. Reoloogias ja laiemalt teaduses on palju mõõtmeteta numbreid, mida saab kasutada materjali või süsteemi oleku või režiimi määramiseks.

Veeballoon kohe pärast torkimist. Praegusel hetkel toimib vesi väga lühikest aega tahke ainena. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Koogitaina kiiruse mõõtmine

Vedelike jaoks on veel üks mõõtmeteta arv, mille abil saab hinnata, kas vool on turbulentne, keeristega või järgib see rahulikult anuma piirjooni (me ütleme, et vool on laminaarne ).

Kui voolukiirus on V ja mahuti tüüpiline suurus h on vooluga risti, siis saame defineerida kiirusgradiendi V/h. Selle kiirusgradiendi pöördväärtus skaalatakse aja järgi.

Kiirusegradiendi definitsioon. Wikipedia, autor on esitatud

Selle kestuse ja lõdvestusaja võrdlemisel saadakse Reynoldsi arv vedelike puhul, kus domineerib inerts (nagu vesi), või Weissenbergi arv nende puhul, kus domineerib elastsus (nagu koogitainas). Kui need mõõtmeteta arvud on 1-ga võrreldes suured, on vool tõenäoliselt turbulentne. Kui need on 1-ga võrreldes väikesed, on vool tõenäoliselt laminaarne.

Küsimuse esitamine, kas kassid on vedelik, võimaldas mul illustreerida nende mõõtmeteta arvude kasutamist reoloogias. Loodan, et see ajab inimesed naerma ja siis mõtlema.