Adakah Kucing Cecair?

Menjawab soalan yang memenangi hadiah Nobel Ig: Adakah kucing cair?

Dalam keadaan yang betul, badan kucing boleh berkelakuan seperti cecair. John Benson/Flickr , CC BY

Cecair secara tradisinya ditakrifkan sebagai bahan yang menyesuaikan bentuknya agar sesuai dengan bekas. Namun dalam keadaan tertentu, kucing nampaknya sesuai dengan definisi ini.

Di sini seekor kucing, yang badannya sesuai dengan sempurna di dalam sinki, berkelakuan seperti cecair. William McCamment , CC BY-SA

Pemerhatian yang agak paradoks ini muncul di web beberapa tahun lalu dan menyertai senarai panjang meme internet yang melibatkan rakan kucing kami. Apabila saya mula-mula melihat soalan ini ia membuatkan saya ketawa, dan kemudian berfikir. Saya memutuskan untuk merumuskannya semula untuk menggambarkan beberapa masalah di tengah-tengah rheologi , kajian tentang ubah bentuk dan aliran jirim. Kajian saya mengenai reologi kucing memenangi Hadiah Nobel Ig 2017 dalam Fizik.

Hadiah dianugerahkan setiap tahun oleh Improbable Research, sebuah organisasi yang menumpukan kepada sains dan jenaka. Matlamatnya adalah untuk menonjolkan kajian saintifik yang mula-mula membuat orang ketawa, kemudian berfikir. Satu majlis diadakan setiap tahun di Universiti Harvard.

Apakah cecair?

Di tengah-tengah takrif cecair ialah tindakan: Bahan mesti boleh mengubah suai bentuknya untuk dimuatkan dalam bekas. Tindakan itu juga mesti mempunyai tempoh ciri. Dalam reologi ini dipanggil masa relaksasi. Menentukan sama ada sesuatu itu cair bergantung pada sama ada ia diperhatikan dalam tempoh masa yang lebih pendek atau lebih lama daripada masa berehat.

Jika kita mengambil kucing sebagai contoh kita, hakikatnya mereka boleh menyesuaikan bentuknya dengan bekasnya jika kita memberi mereka masa yang cukup. Oleh itu, kucing adalah cecair jika kita memberi mereka masa untuk menjadi cair. Dalam reologi, keadaan bahan bukanlah benar-benar harta tetap - apa yang mesti diukur ialah masa kelonggaran. Apakah nilainya dan pada apa ia bergantung? Sebagai contoh, adakah masa berehat kucing berbeza mengikut umurnya? (Dalam rheologi kita bercakap tentang thixotropy .)

Bolehkah jenis bekas menjadi faktor? (Dalam reologi ini dikaji dalam masalah "pembasahan".) Atau adakah ia berbeza dengan tahap tekanan kucing? (Seseorang bercakap tentang "penebalan ricih" jika masa kelonggaran meningkat dengan tegasan, atau "penipisan ricih" jika sebaliknya adalah benar.) Sudah tentu, kami bermaksud tekanan dalam erti kata mekanikal dan bukannya emosi, tetapi kedua-dua makna mungkin bertindih dalam beberapa kes.

Glasier yang mengalir menuruni lembah.

'Nombor Deborah' dan aliran gunung

Apa yang ditunjukkan oleh kucing dengan jelas ialah menentukan keadaan bahan memerlukan membandingkan dua tempoh masa: masa kelonggaran dan masa percubaan, iaitu masa berlalu sejak permulaan ubah bentuk yang dimulakan oleh bekas. Sebagai contoh, mungkin masa berlalu sejak kucing itu melangkah ke dalam singki. Secara konvensional, seseorang membahagikan masa kelonggaran dengan masa percubaan, dan jika hasilnya lebih daripada 1, bahan itu agak pepejal; jika hasilnya lebih rendah daripada 1, bahan itu agak cair.

Ini dirujuk sebagai nombor Deborah , selepas pendeta alkitabiah yang menyatakan bahawa pada skala masa geologi (“di hadapan Tuhan”) walaupun gunung mengalir. Pada skala masa yang lebih singkat, seseorang boleh melihat glasier secara beransur-ansur mengalir ke lembah.

Walaupun masa rehat adalah sangat besar (hari, tahun), tingkah laku boleh menjadi cecair jika nombor Deborah adalah kecil (berbanding 1). Sebaliknya, walaupun masa kelonggaran adalah sangat kecil (milisaat), tingkah laku boleh menjadi pepejal jika nombor Deborah adalah besar (berbanding 1). Ini adalah kes jika seseorang memerhati belon air dengan serta-merta apabila ia meletup.

Nombor Deborah ialah contoh nombor tanpa dimensi: Oleh kerana kita membahagikan satu tempoh masa dengan yang lain, nisbahnya tidak mempunyai sebarang unit. Dalam reologi, dan dalam sains secara amnya, terdapat banyak nombor tanpa dimensi yang boleh digunakan untuk menentukan keadaan atau rejim sesuatu bahan atau sistem.

Belon air selepas dicucuk. Pada masa ini, air bertindak seperti pepejal untuk tempoh yang sangat singkat. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Mengukur kelajuan adunan kek

Untuk cecair terdapat satu lagi nombor tanpa dimensi yang boleh digunakan untuk menganggarkan sama ada aliran itu akan bergelora, dengan vorteks, atau sama ada ia akan mengikut garis besar bekas dengan tenang (kita mengatakan bahawa aliran adalah lamina ).

Jika kelajuan aliran ialah V dan bekas mempunyai saiz tipikal h berserenjang dengan aliran, maka kita boleh menentukan kecerunan halaju V/h. Songsangan skala kecerunan halaju ini sebagai masa.

Definisi kecerunan halaju. Wikipedia, Pengarang disediakan

Membandingkan tempoh ini dan masa kelonggaran menghasilkan nombor Reynolds dalam kes cecair yang dikuasai oleh inersia (seperti air), atau nombor Weissenberg untuk yang didominasi oleh keanjalan (seperti adunan kek). Jika nombor tidak berdimensi ini adalah besar berbanding 1, maka aliran itu berkemungkinan bergelora. Jika ia kecil berbanding dengan 1 aliran itu berkemungkinan menjadi lamina.

Menanyakan soalan sama ada kucing adalah cecair membenarkan saya untuk menggambarkan penggunaan nombor tanpa dimensi ini dalam reologi. Saya harap ia akan membuat orang ketawa dan kemudian berfikir.