Ar katės Yra skystos?

Atsakant į klausimą, kuris man pelnė Ig Nobelio premiją: Ar katės yra skystos?

Esant tinkamoms aplinkybėms, kačių kūnai gali elgtis kaip skysčiai. Johnas Bensonas / Flickr , CC BY

Skystis tradiciškai apibrėžiamas kaip medžiaga, kuri pritaiko savo formą, kad tilptų į talpyklą. Tačiau tam tikromis sąlygomis atrodo, kad katės atitinka šį apibrėžimą.

Čia katė, kurios kūnas puikiai telpa kriaukle, elgiasi kaip skystis. William McCamment , CC BY-SA

Šis šiek tiek paradoksalus pastebėjimas pasirodė internete prieš kelerius metus ir prisijungė prie ilgo interneto memų sąrašo, kuriame dalyvavo mūsų draugai katės. Kai pirmą kartą pamačiau šį klausimą, nusijuokiau, o paskui susimąsčiau. Nusprendžiau jį performuluoti, kad pailiustruotų kai kurias reologijos – medžiagos deformacijų ir srautų tyrimo – problemas. Mano tyrimas apie kačių reologiją laimėjo 2017 m. Ig Nobelio fizikos premiją .

Prizus kasmet skiria mokslui ir humorui atsidavusi organizacija „Improbable Research“. Tikslas yra pabrėžti mokslinius tyrimus, kurie pirmiausia priverčia žmones juoktis, o paskui galvoti. Kasmet Harvardo universitete vyksta ceremonija .

Kas yra skystis?

Skysčio apibrėžimo centre yra veiksmas: medžiaga turi turėti galimybę pakeisti savo formą, kad tilptų į talpyklą. Veiksmas taip pat turi turėti būdingą trukmę. Reologijoje tai vadinama atsipalaidavimo laiku. Nustatymas, ar kažkas yra skystas, priklauso nuo to, ar jis stebimas per laikotarpį, trumpesnį ar ilgesnį nei atsipalaidavimo laikas.

Jei kaip pavyzdį imame kates, jos gali pritaikyti savo formą prie talpyklos, jei duosime joms pakankamai laiko. Taigi katės yra skystos, jei suteikiame joms laiko tapti skystomis. Reologijoje medžiagos būklė iš tikrųjų nėra fiksuota savybė – reikia išmatuoti atsipalaidavimo laiką. Kokia jo vertė ir nuo ko ji priklauso? Pavyzdžiui, ar katės atsipalaidavimo laikas skiriasi priklausomai nuo jos amžiaus? (Reologijoje mes kalbame apie tiksotropiją .)

Ar konteinerio tipas gali būti veiksnys? (Reologijoje tai tiriama „drėkinimo“ problemomis.) O gal tai skiriasi priklausomai nuo katės streso laipsnio? (Kalbama apie „šlyties sustorėjimą“, jei atsipalaidavimo laikas ilgėja dėl streso, arba „šlyties plonėjimas“, jei yra priešingai.) Žinoma, stresą turime omenyje mechanine, o ne emocine prasme, tačiau kai kuriais atvejais šios dvi reikšmės gali sutapti.

Slėniu tekantis ledynas.

„Deboros numeris“ ir kalnų tėkmė

Katės aiškiai parodo, kad norint nustatyti medžiagos būseną, reikia palyginti du laiko periodus: atsipalaidavimo laiką ir eksperimento laiką, ty laiką, praėjusį nuo konteinerio sukeltos deformacijos pradžios. Pavyzdžiui, tai gali būti laikas, praėjęs nuo tada, kai katė įlipo į kriauklę. Paprastai atsipalaidavimo laikas dalijamas iš eksperimentinio laiko, o jei rezultatas yra didesnis nei 1, medžiaga yra gana kieta; jei rezultatas yra mažesnis nei 1, medžiaga yra gana skysta.

Tai vadinama Deboros skaičiumi po Biblijos kunigės, kuri pastebėjo, kad geologinėmis laiko skalėmis („prieš Dievą“) net kalnai teka. Per trumpesnį laiką galima pamatyti, kaip ledynai palaipsniui teka slėniais.

Net jei atsipalaidavimo laikas yra labai didelis (dienos, metai), elgesys gali būti panašus į skystį, jei Deboros skaičius yra mažas (palyginti su 1). Ir atvirkščiai, net jei atsipalaidavimo laikas yra labai mažas (milisekundėmis), elgesys gali būti kietojo kūno elgesys, jei Deboros skaičius yra didelis (palyginti su 1). Taip yra, jei vandens balioną stebime tuo metu, kai jis iššoka.

Deboros skaičius yra bedimensio skaičiaus pavyzdys: kadangi mes dalijame vieną laikotarpį iš kito, santykis neturi jokio vieneto. Reologijoje ir apskritai moksle yra daug bedimensinių skaičių, kurie gali būti naudojami medžiagos ar sistemos būsenai ar režimui nustatyti.

Vandens balionas iškart po jo įdūrimo. Šiuo metu vanduo labai trumpą laiką veikia kaip kieta medžiaga. Sunil Soundarapandian / Flickr , CC BY

Torto tešlos greičio matavimas

Skysčiams yra dar vienas bematis skaičius, pagal kurį galima įvertinti, ar srautas bus turbulentinis, su sūkuriais, ar jis ramiai seks konteinerio kontūrus (sakome, kad srautas yra laminarinis ).

Jei srauto greitis yra V, o talpos tipinis dydis h statmenas srautui, tada galime apibrėžti greičio gradientą V/h. Šio greičio gradiento atvirkštinė vertė yra keičiama kaip laikas.

Greičio gradiento apibrėžimas. Vikipedija, pateikė autorius

Palyginus šią trukmę ir atsipalaidavimo laiką, gaunamas Reinoldso skaičius skysčiams, kuriuose dominuoja inercija (pvz., Vanduo), arba Veisenbergo skaičius tiems, kuriuose dominuoja elastingumas (pavyzdžiui, pyrago tešla). Jei šie bedimensiniai skaičiai yra dideli, palyginti su 1, tada srautas greičiausiai bus neramus. Jei jie yra maži, palyginti su 1, srautas greičiausiai bus laminarinis.

Uždavus klausimą, ar katės buvo skystis, galėjau iliustruoti šių bedimensinių skaičių naudojimą reologijoje. Tikiuosi, kad tai privers žmones juoktis ir tada susimąstyti.