Apakah Kucing Itu Cair?

Menjawab pertanyaan yang membuat saya memenangkan hadiah Ig Nobel: Apakah kucing berbentuk cair?

Dalam kondisi yang tepat, tubuh kucing dapat berperilaku seperti cairan. John Benson/Flickr , CC BY

Cairan secara tradisional didefinisikan sebagai material yang menyesuaikan bentuknya agar sesuai dengan wadah. Namun, dalam kondisi tertentu, kucing tampaknya sesuai dengan definisi ini.

Di sini, seekor kucing, yang tubuhnya pas di dalam wastafel, berperilaku seperti cairan. William McCamment , CC BY-SA

Pengamatan yang agak paradoks ini muncul di web beberapa tahun yang lalu dan bergabung dengan daftar panjang meme internet yang melibatkan teman-teman kucing kita. Ketika pertama kali melihat pertanyaan ini, saya tertawa, lalu berpikir. Saya memutuskan untuk merumuskannya kembali untuk menggambarkan beberapa masalah di inti reologi , studi tentang deformasi dan aliran materi. Studi saya tentang reologi kucing memenangkan Penghargaan Ig Nobel dalam Fisika tahun 2017.

Penghargaan ini diberikan setiap tahun oleh Improbable Research, sebuah organisasi yang berfokus pada sains dan humor. Tujuannya adalah untuk menyoroti studi ilmiah yang pertama-tama membuat orang tertawa, lalu berpikir. Sebuah upacara diadakan setiap tahun di Universitas Harvard.

Apa itu cairan?

Inti dari definisi cairan adalah aksi: Suatu material harus mampu mengubah bentuknya agar muat dalam suatu wadah. Aksi tersebut juga harus memiliki durasi karakteristik. Dalam reologi, hal ini disebut waktu relaksasi. Penentuan apakah suatu benda adalah cairan bergantung pada apakah benda tersebut diamati dalam jangka waktu yang lebih pendek atau lebih panjang dari waktu relaksasi.

Jika kita mengambil kucing sebagai contoh, faktanya adalah mereka dapat menyesuaikan bentuk mereka dengan wadahnya jika kita memberi mereka cukup waktu. Jadi, kucing adalah benda cair jika kita memberi mereka waktu untuk menjadi cair. Dalam reologi, keadaan suatu material bukanlah sifat yang benar-benar tetap – yang harus diukur adalah waktu relaksasi. Berapa nilainya dan bergantung pada apa? Misalnya, apakah waktu relaksasi kucing berubah seiring bertambahnya usia? (Dalam reologi, kita berbicara tentang tiksotropi .)

Mungkinkah jenis wadah menjadi faktor? (Dalam reologi, hal ini dipelajari dalam masalah "pembasahan".) Atau apakah hal ini bervariasi tergantung pada tingkat stres kucing? (Orang menyebutnya "penebalan geser" jika waktu relaksasi meningkat seiring dengan stres, atau "penipisan geser" jika kebalikannya benar.) Tentu saja, yang kami maksud adalah stres dalam arti mekanis daripada emosional, tetapi kedua arti tersebut dapat tumpang tindih dalam beberapa kasus.

Gletser yang mengalir menuruni lembah.

'Angka Deborah' dan aliran pegunungan

Yang ditunjukkan kucing dengan jelas adalah bahwa menentukan keadaan suatu material memerlukan perbandingan dua periode waktu: waktu relaksasi dan waktu eksperimen, yaitu waktu yang telah berlalu sejak dimulainya deformasi yang dimulai oleh wadah. Misalnya, mungkin waktu yang telah berlalu sejak kucing melangkah ke wastafel. Secara konvensional, waktu relaksasi dibagi dengan waktu eksperimen, dan jika hasilnya lebih dari 1, material tersebut relatif padat; jika hasilnya lebih rendah dari 1, material tersebut relatif cair.

Ini disebut sebagai angka Deborah , diambil dari nama pendeta wanita dalam Alkitab yang mengatakan bahwa pada skala waktu geologis ("di hadapan Tuhan") gunung pun mengalir. Pada skala waktu yang lebih pendek, orang dapat melihat gletser mengalir menuruni lembah secara bertahap.

Bahkan jika waktu relaksasi sangat lama (hari, tahun), perilakunya dapat seperti zat cair jika angka Deborah kecil (dibandingkan dengan 1). Sebaliknya, bahkan jika waktu relaksasi sangat lama (milidetik), perilakunya dapat seperti zat padat jika angka Deborah besar (dibandingkan dengan 1). Hal ini terjadi jika seseorang mengamati balon air pada saat balon itu meletus.

Bilangan Deborah adalah contoh bilangan tak berdimensi: Karena kita membagi satu periode waktu dengan periode waktu lainnya, rasionya tidak memiliki satuan apa pun. Dalam reologi, dan dalam sains secara umum, ada banyak bilangan tak berdimensi yang dapat digunakan untuk menentukan keadaan atau rezim suatu material atau sistem.

Balon berisi air sesaat setelah ditusuk. Pada saat ini, air bertindak seperti benda padat untuk waktu yang sangat singkat. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Mengukur kecepatan adonan kue

Untuk cairan, ada bilangan tak berdimensi lain yang dapat digunakan untuk memperkirakan apakah alirannya akan turbulen, dengan pusaran, atau apakah alirannya akan dengan tenang mengikuti garis besar wadah (kita katakan alirannya laminar ).

Jika kecepatan aliran adalah V dan wadah memiliki ukuran tipikal h yang tegak lurus terhadap aliran, maka kita dapat mendefinisikan gradien kecepatan V/h. Kebalikan dari gradien kecepatan ini berskala sebagai waktu.

Definisi gradien kecepatan. Wikipedia, Penulis disediakan

Membandingkan durasi ini dan waktu relaksasi menghasilkan bilangan Reynolds dalam kasus fluida yang didominasi oleh inersia (seperti air), atau bilangan Weissenberg untuk fluida yang didominasi oleh elastisitas (seperti adonan kue). Jika bilangan tak berdimensi ini besar dibandingkan dengan 1, maka alirannya cenderung turbulen. Jika kecil dibandingkan dengan 1, alirannya cenderung laminar.

Mengajukan pertanyaan apakah kucing adalah cairan memungkinkan saya untuk mengilustrasikan penggunaan angka-angka tak berdimensi ini dalam reologi. Saya harap ini akan membuat orang tertawa dan kemudian berpikir.