Liquid Ba Ang Pusa?

Pagsagot sa tanong na nagpanalo sa akin ng Ig Nobel prize: Ang mga pusa ba ay likido?

Sa ilalim ng tamang mga pangyayari, ang mga katawan ng pusa ay maaaring kumilos tulad ng mga likido. John Benson/Flickr , CC BY

Ang likido ay tradisyonal na tinukoy bilang isang materyal na umaangkop sa hugis nito upang magkasya sa isang lalagyan. Ngunit sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang mga pusa ay tila umaangkop sa kahulugan na ito.

Narito ang isang pusa, na ang katawan ay ganap na magkasya sa loob ng lababo, kumikilos tulad ng isang likido. William McCamment , CC BY-SA

Ang medyo kabalintunaan na obserbasyon na ito ay lumitaw sa web ilang taon na ang nakalipas at sumali sa mahabang listahan ng mga meme sa internet na kinasasangkutan ng aming mga kaibigang pusa. Noong una kong nakita ang tanong na ito ay napatawa ako, at pagkatapos ay napaisip. Nagpasya akong reformulate ito upang ilarawan ang ilang mga problema sa puso ng rheology , ang pag-aaral ng mga deformation at daloy ng matter. Ang aking pag-aaral sa rheology ng mga pusa ay nanalo ng 2017 Ig Nobel Prize sa Physics.

Ang mga premyo ay iginagawad bawat taon ng Improbable Research, isang organisasyong nakatuon sa agham at katatawanan. Ang layunin ay i-highlight ang mga siyentipikong pag-aaral na unang nagpapatawa sa mga tao, pagkatapos ay nag-iisip. Ang isang seremonya ay ginaganap taun-taon sa Harvard University.

Ano ang isang likido?

Sa gitna ng kahulugan ng isang likido ay isang aksyon: Ang isang materyal ay dapat na mabago ang anyo nito upang magkasya sa loob ng isang lalagyan. Ang aksyon ay dapat ding may katangiang tagal. Sa rheology ito ay tinatawag na oras ng pagpapahinga. Ang pagtukoy kung ang isang bagay ay likido ay depende sa kung ito ay sinusunod sa isang yugto ng panahon na mas maikli o mas mahaba kaysa sa oras ng pagpapahinga.

Kung kukunin natin ang mga pusa bilang ating halimbawa, ang katotohanan ay maaari nilang iakma ang kanilang hugis sa kanilang lalagyan kung bibigyan natin sila ng sapat na oras. Ang mga pusa ay likido kung bibigyan natin sila ng oras na maging likido. Sa rheology, ang estado ng isang materyal ay hindi talaga isang nakapirming ari-arian - ang dapat masukat ay ang oras ng pagpapahinga. Ano ang halaga nito at sa ano ito nakasalalay? Halimbawa, nag-iiba ba ang oras ng pagpapahinga ng isang pusa sa edad nito? (Sa rheology pinag-uusapan natin ang thixotropy .)

Maaari bang maging isang kadahilanan ang uri ng lalagyan? (Sa rheology ito ay pinag-aaralan sa mga problema sa "pagbasa".) O nag-iiba ba ito sa antas ng stress ng pusa? (Ang isa ay nagsasalita tungkol sa "paggugupit ng pampalapot" kung ang oras ng pagpapahinga ay tataas sa stress, o "paggugupit ng pagnipis" kung ang kabaligtaran ay totoo.) Siyempre, ang ibig sabihin namin ay ang stress sa mekanikal na kahulugan sa halip na emosyonal, ngunit ang dalawang kahulugan ay maaaring magkakapatong sa ilang mga kaso.

Isang glacier na dumadaloy pababa sa isang lambak.

Ang 'Deborah number' at ang daloy ng mga bundok

Ang malinaw na ipinapakita ng mga pusa ay ang pagtukoy sa estado ng isang materyal ay nangangailangan ng paghahambing ng dalawang yugto ng panahon: ang oras ng pagpapahinga at ang oras ng pag-eksperimento, na ang oras na lumipas mula noong simula ng pagpapapangit na sinimulan ng lalagyan. Halimbawa, maaaring ito na ang oras na lumipas mula noong tumapak ang pusa sa lababo. Conventionally, hinahati ng isa ang oras ng pagpapahinga sa oras ng eksperimental, at kung ang resulta ay higit sa 1, ang materyal ay medyo solid; kung ang resulta ay mas mababa sa 1, ang materyal ay medyo likido.

Tinukoy ito bilang numerong Deborah , pagkatapos ng biblikal na pari na nagsabi na sa mga sukat ng panahon ng geological (“sa harap ng Diyos”) ay dumaloy ang mga bundok. Sa mas maikling antas ng panahon, makikita ang mga glacier na unti-unting dumadaloy pababa sa mga lambak.

Kahit na ang oras ng pagpapahinga ay napakalaki (mga araw, taon), ang pag-uugali ay maaaring maging tulad ng isang likido kung ang numero ng Deborah ay maliit (kumpara sa 1). Sa kabaligtaran, kahit na ang oras ng pagpapahinga ay napakaliit (milliseconds), ang pag-uugali ay maaaring maging solid kung ang numero ng Deborah ay malaki (kumpara sa 1). Ito ang kaso kung ang isa ay nagmamasid sa isang lobo ng tubig sa sandaling ito ay pumutok.

Ang numero ng Deborah ay isang halimbawa ng walang sukat na numero: Dahil hinahati natin ang isang yugto ng panahon sa isa pa, ang ratio ay walang anumang yunit. Sa rheology, at sa agham sa pangkalahatan, maraming walang sukat na mga numero na maaaring gamitin upang matukoy ang estado o rehimen ng isang materyal o sistema.

Water balloon pagkatapos lang itong itusok. Sa sandaling ito, ang tubig ay kumikilos na parang solid sa napakaikling panahon. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Pagsukat ng bilis ng cake batter

Para sa mga likido ay may isa pang walang sukat na numero na maaaring magamit upang tantiyahin kung ang daloy ay magiging magulong, may mga puyo ng tubig, o kung ito ay mahinahon na susunod sa balangkas ng lalagyan (sinasabi namin na ang daloy ay laminar ).

Kung ang bilis ng daloy ay V at ang lalagyan ay may tipikal na laki h patayo sa daloy, maaari nating tukuyin ang gradient ng bilis V/h. Ang kabaligtaran ng gradient ng bilis na ito ay nag-iiba bilang isang oras.

Kahulugan ng gradient ng bilis. Wikipedia, ibinigay ng May-akda

Ang paghahambing ng tagal na ito at ang oras ng pagpapahinga ay gumagawa ng Reynolds number sa kaso ng mga likidong pinangungunahan ng inertia (tulad ng tubig), o ang numero ng Weissenberg para sa mga pinangungunahan ng elasticity (tulad ng cake batter). Kung ang mga walang sukat na numerong ito ay malaki kumpara sa 1, malamang na magulong ang daloy. Kung maliit ang mga ito kumpara sa 1, malamang na laminar ang daloy.

Ang pagtatanong kung ang mga pusa ay isang likido ay nagpapahintulot sa akin na ilarawan ang paggamit ng mga walang sukat na numerong ito sa rheology. Umaasa ako na ito ay magpapatawa sa mga tao at pagkatapos ay mag-isip.