Ovatko Kissat nestemäisiä?

Vastaus kysymykseen, joka voitti minulle Ig Nobel -palkinnon: Ovatko kissat nestemäisiä?

Oikeissa olosuhteissa kissojen kehot voivat käyttäytyä kuin nesteet. John Benson/Flickr , CC BY

Neste on perinteisesti määritelty materiaaliksi, joka mukauttaa muotoaan astiaan sopivaksi. Tietyissä olosuhteissa kissat näyttävät kuitenkin sopivan tähän määritelmään.

Täällä kissa, jonka vartalo sopii täydellisesti pesualtaaseen, käyttäytyy kuin neste. William McCamment , CC BY-SA

Tämä jokseenkin paradoksaalinen havainto ilmestyi verkossa muutama vuosi sitten ja liittyi pitkälle kissaystäviemme Internet-meemien listalle. Kun näin tämän kysymyksen ensimmäistä kertaa, se sai minut nauramaan ja sitten ajattelemaan. Päätin muotoilla sen uudelleen havainnollistaakseni joitain reologian ytimessä olevia ongelmia, aineen muodonmuutoksia ja aineen virtauksia. Tutkimukseni kissojen reologiasta voitti vuoden 2017 fysiikan Ig Nobel -palkinnon .

Palkinnot jakaa joka vuosi tieteelle ja huumorille omistautunut Improbable Research -järjestö. Tavoitteena on korostaa tieteellisiä tutkimuksia, jotka ensin saavat ihmiset nauramaan ja sitten ajattelemaan. Seremonia järjestetään joka vuosi Harvardin yliopistossa.

Mikä on neste?

Nesteen määritelmän keskiössä on toiminta: Materiaalin on voitava muokata muotoaan niin, että se mahtuu astiaan. Toiminnalla on myös oltava tyypillinen kesto. Reologiassa tätä kutsutaan rentoutumisajaksi. Sen määrittäminen, onko jokin nestettä, riippuu siitä, onko se havaittu ajanjaksona, joka on lyhyempi vai pidempi kuin rentoutumisaika.

Jos otamme kissat esimerkkinä, tosiasia on, että ne voivat mukauttaa muotonsa astiaan, jos annamme heille tarpeeksi aikaa. Kissat ovat siis nestemäisiä, jos annamme niille aikaa muuttua nestemäiseksi. Reologiassa materiaalin tila ei varsinaisesti ole kiinteä ominaisuus, vaan relaksaatioaika on mitattava. Mikä on sen arvo ja mistä se riippuu? Vaihteleeko esimerkiksi kissan rentoutumisaika sen iän mukaan? (Reologiassa puhumme tiksotropiasta .)

Voisiko säiliön tyyppi olla tekijä? (Reologiassa tätä tutkitaan "kastumisongelmissa".) Vai vaihteleeko se kissan stressiasteen mukaan? (Puhutaan "leikkauspaksumisesta", jos rentoutumisaika kasvaa stressin myötä, tai "leikkausohennuksesta", jos päinvastoin.) Tarkoitamme tietysti stressiä mekaanisessa merkityksessä pikemminkin kuin emotionaalisessa mielessä, mutta nämä kaksi merkitystä voivat joissain tapauksissa mennä päällekkäin.

Laaksossa virtaava jäätikkö.

"Deboran numero" ja vuorten virtaus

Kissat osoittavat selvästi, että materiaalin tilan määrittäminen vaatii kahden ajanjakson vertaamista: rentoutumisaikaa ja koeaikaa, joka on aika, joka on kulunut säiliön käynnistämän muodonmuutoksen alkamisesta. Se voi olla esimerkiksi aika, joka on kulunut siitä, kun kissa astui pesualtaaseen. Perinteisesti relaksaatioaika jaetaan kokeellisella ajalla, ja jos tulos on suurempi kuin 1, materiaali on suhteellisen kiinteää; jos tulos on pienempi kuin 1, materiaali on suhteellisen nestemäistä.

Tätä kutsutaan Deboran numeroksi sen jälkeen, kun raamatullinen pappitar huomautti, että geologisilla aikaasteikoilla ("Jumalan edessä") jopa vuoret virtasivat. Lyhyemmällä aikaskaalalla voi nähdä jäätiköiden virtaavan asteittain alas laaksoja.

Vaikka rentoutumisaika on hyvin suuri (päiviä, vuosia), käyttäytyminen voi olla nesteen käyttäytymistä, jos Deborah-luku on pieni (verrattuna 1:een). Päinvastoin, vaikka rentoutumisaika on hyvin pieni (millisekuntia), käyttäytyminen voi olla kiinteää, jos Deborah-luku on suuri (verrattuna 1:een). Näin on, jos havaitsee vesipallon sillä hetkellä, kun se pomppaa.

Deborah-luku on esimerkki dimensiottomasta luvusta: Koska jaamme yhden ajanjakson toisella, suhteella ei ole yksikköä. Reologiassa ja tieteessä yleisemminkin on olemassa monia ulottumattomia lukuja, joita voidaan käyttää materiaalin tai järjestelmän tilan tai järjestelmän määrittämiseen.

Vesipallo heti pistoksen jälkeen. Tällä hetkellä vesi toimii kiinteänä aineena hyvin lyhyen ajan. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Kakkutaikinan nopeuden mittaus

Nesteitä varten on olemassa toinen dimensioton luku, jonka avulla voidaan arvioida, onko virtaus pyörteistä, pyörteistä vai seuraako se rauhallisesti säiliön ääriviivoja (sanomme, että virtaus on laminaarista ).

Jos virtausnopeus on V ja säiliön tyypillinen koko h on kohtisuorassa virtaukseen nähden, voidaan määritellä nopeusgradientti V/h. Tämän nopeusgradientin käänteisarvo skaalautuu ajalla.

Nopeusgradientin määritelmä. Wikipedia, kirjoittaja tarjotaan

Tämän keston ja rentoutumisajan vertailu tuottaa Reynoldsin luvun nesteille, joita hallitsee inertia (kuten vesi), tai Weissenbergin luvun niille, joita hallitsee elastisuus (kuten kakkutaikina). Jos nämä ulottumattomat luvut ovat suuria verrattuna yhteen, virtaus on todennäköisesti turbulentti. Jos ne ovat pieniä verrattuna yhteen, virtaus on todennäköisesti laminaarinen.

Kysymys siitä, olivatko kissat nestettä, antoivat minulle mahdollisuuden havainnollistaa näiden ulottumattomien lukujen käyttöä reologiassa. Toivon, että se saa ihmiset nauramaan ja sitten ajattelemaan.