Eru Kettir fljótandi?

Að svara spurningunni sem vann mér Ig Nóbelsverðlaunin: Eru kettir fljótandi?

Við réttar aðstæður getur líkami katta hegðað sér eins og vökvi. John Benson/Flickr , CC BY

Venjulega er vökvi skilgreindur sem efni sem aðlagar lögun sína til að passa í ílát. Samt við ákveðnar aðstæður virðast kettir passa við þessa skilgreiningu.

Hér hagar köttur, sem passar fullkomlega í vaskinum, eins og vökvi. William McCamment , CC BY-SA

Þessi dálítið þversagnakennda athugun kom fram á vefnum fyrir nokkrum árum og bættist við langan lista yfir netmem sem snerta kattavini okkar. Þegar ég sá þessa spurningu fyrst fékk það mig til að hlæja og hugsa svo. Ég ákvað að endurforma það til að sýna nokkur vandamál í hjarta gigtarfræðinnar , rannsókninni á aflögun og flæði efnis. Rannsókn mín á gigtarfræði katta vann 2017 Ig Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði.

Verðlaunin eru veitt á hverju ári af Improbable Research, stofnun sem helgar sig vísindum og húmor. Markmiðið er að draga fram vísindarannsóknir sem fyrst fá fólk til að hlæja, síðan til að hugsa. Athöfn er haldin á hverju ári í Harvard háskólanum.

Hvað er vökvi?

Í miðju skilgreiningar á vökva er aðgerð: Efni verður að geta breytt lögun sinni til að passa inn í ílát. Aðgerðin verður einnig að hafa einkennandi lengd. Í gigtarfræði er þetta kallað slökunartími. Að ákvarða hvort eitthvað sé fljótandi fer eftir því hvort það sést á tímabili sem er styttra eða lengra en slökunartíminn.

Ef við tökum ketti sem dæmi þá er staðreyndin sú að þeir geta lagað lögun sína að ílátinu sínu ef við gefum þeim nægan tíma. Kettir eru þannig fljótandi ef við gefum þeim tíma til að verða fljótandi. Í rheology er ástand efnis í raun ekki fastur eiginleiki - það sem þarf að mæla er slökunartíminn. Hvers virði er það og hverju er það háð? Til dæmis, er slökunartími kattar mismunandi eftir aldri hans? (Í gigtarfræði er talað um tíkótrópíu .)

Gæti tegund íláts verið þáttur? (Í gigtarfræði er þetta rannsakað í „bleyta“ vandamálum.) Eða er það breytilegt eftir streitustigi kattarins? (Maður talar um „þykknun á klippum“ ef slökunartíminn eykst með streitu, eða „þynningu“ ef þessu er öfugt farið.) Auðvitað er átt við streitu í vélrænum skilningi frekar en tilfinningalegri, en þessar tvær merkingar geta skarast í sumum tilfellum.

Jökull sem rennur niður dal.

'Debóra talan' og flæði fjalla

Það sem kettir sýna greinilega er að til að ákvarða ástand efnis þarf að bera saman tvö tímabil: slökunartímann og tilraunatímann, sem er tíminn sem liðinn er frá því að aflögunin hófst af ílátinu. Það getur til dæmis verið tíminn sem hefur liðið frá því að kötturinn steig ofan í vaskinn. Venjulega deilir maður slökunartímanum með tilraunatímanum og ef niðurstaðan er meiri en 1 er efnið tiltölulega solid; ef niðurstaðan er lægri en 1 er efnið tiltölulega fljótandi.

Þetta er nefnt Deborah númerið , eftir biblíuprestskonunni sem sagði að á jarðfræðilegum tímakvarða ("fyrir Guði") flæddu jafnvel fjöll. Á styttri tímakvarða má sjá jökla flæða smám saman niður dali.

Jafnvel þótt slökunartíminn sé mjög langur (dagar, ár) getur hegðunin verið vökvi ef Deborah talan er lítil (miðað við 1). Aftur á móti, jafnvel þótt slökunartíminn sé mjög lítill (millisekúndur), getur hegðunin verið eins og fast efni ef Deborah talan er stór (miðað við 1). Þetta er raunin ef maður horfir á vatnsblöðru á augabragði þegar hún er skotin.

Deborah talan er dæmi um víddarlausa tölu: Þar sem við deilum einu tímabili með öðru hefur hlutfallið enga einingu. Í rheology, og í vísindum almennt, eru margar víddarlausar tölur sem hægt er að nota til að ákvarða ástand eða stjórn efnis eða kerfis.

Vatnsblöðru rétt eftir að hún er stungin. Á þessari stundu virkar vatn eins og fast efni í mjög stuttan tíma. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Mæling á hraða kökudeigs

Fyrir vökva er önnur víddarlaus tala sem hægt er að nota til að áætla hvort flæðið verði órólegt, með hvirfli eða hvort það fylgir rólega útlínum ílátsins (við segjum að flæðið sé lagskipt ).

Ef flæðishraðinn er V og ílátið hefur dæmigerða stærð h hornrétt á flæðið, þá getum við skilgreint hraðahallann V/klst. Andhverfa þessa hraðahalla skalast sem tími.

Skilgreining á hraðahallanum. Wikipedia, Höfundur veittur

Samanburður á þessari lengd og slökunartíma gefur Reynolds-töluna þegar um er að ræða vökva sem einkennist af tregðu (eins og vatni), eða Weissenberg-talan fyrir þá sem einkennast af mýkt (eins og kökudeig). Ef þessar víddarlausu tölur eru stórar í samanburði við 1, þá er líklegt að flæðið verði órólegt. Ef þau eru lítil í samanburði við 1 er líklegt að flæðið sé lagskipt.

Að spyrja spurningarinnar um hvort kettir væru vökvi gerði mér kleift að sýna fram á notkun þessara víddarlausu talna í gigtarfræði. Ég vona að það fái fólk til að hlæja og hugsa svo.