Je, Paka Ni Kioevu?

Kujibu swali ambalo lilinishindia tuzo ya Ig ya Nobel: Je, paka ni kioevu?

Chini ya hali zinazofaa, miili ya paka inaweza kuishi kama kioevu. John Benson/Flickr , CC BY

Kimiminika kitamaduni hufafanuliwa kama nyenzo ambayo hubadilisha umbo lake ili kutoshea chombo. Walakini, chini ya hali fulani, paka zinaonekana kutoshea ufafanuzi huu.

Hapa paka, ambayo mwili wake unafaa kabisa ndani ya kuzama, hufanya kama kioevu. William McCamment , CC BY-SA

Uchunguzi huu wa kutatanisha uliibuka kwenye wavuti miaka michache iliyopita na kujiunga na orodha ndefu ya meme za mtandao zinazohusisha marafiki wetu wa paka. Nilipoona swali hili kwa mara ya kwanza lilinifanya nicheke, na kisha kufikiria. Niliamua kuifanya upya ili kuonyesha matatizo fulani katika moyo wa rheology , utafiti wa deformations na mtiririko wa jambo. Utafiti wangu juu ya rheology ya paka ulishinda Tuzo ya Nobel ya 2017 ya Ig katika Fizikia.

Zawadi hizo hutolewa kila mwaka na Iprobable Research, shirika linalojitolea kwa sayansi na ucheshi. Lengo ni kuangazia tafiti za kisayansi ambazo kwanza huwafanya watu kucheka, kisha kufikiria. Sherehe hufanyika kila mwaka katika Chuo Kikuu cha Harvard.

Kioevu ni nini?

Katikati ya ufafanuzi wa kioevu ni kitendo: Nyenzo lazima iweze kurekebisha umbo lake ili kutoshea ndani ya chombo. Kitendo lazima pia kiwe na muda maalum. Katika rheology hii inaitwa wakati wa kupumzika. Kuamua ikiwa kitu ni kioevu inategemea ikiwa kinazingatiwa kwa muda mfupi au mrefu kuliko wakati wa kupumzika.

Ikiwa tunachukua paka kama mfano wetu, ukweli ni kwamba wanaweza kurekebisha sura zao kwa chombo chao ikiwa tunawapa muda wa kutosha. Kwa hivyo paka ni kioevu ikiwa tunawapa wakati wa kuwa kioevu. Katika rheology, hali ya nyenzo sio mali maalum - kinachopaswa kupimwa ni wakati wa kupumzika. Thamani yake ni nini na inategemea nini? Kwa mfano, wakati wa kupumzika wa paka hutofautiana na umri wake? (Katika rheology tunazungumza juu ya thixotropy .)

Je, aina ya chombo inaweza kuwa sababu? (Katika rheolojia hii inasomwa katika matatizo ya "kulowesha".) Au je, inatofautiana na kiwango cha mkazo cha paka? (Mmoja huzungumza juu ya “unene wa kukata manyoya” ikiwa wakati wa kustarehe huongezeka kwa mkazo, au “kunyoa manyoya” ikiwa kinyume chake ni kweli.) Bila shaka, tunamaanisha mkazo katika maana ya kimakanika badala ya kihisia-moyo, lakini maana hizo mbili zinaweza kuingiliana katika baadhi ya matukio.

Barafu inayotiririka chini ya bonde.

'Nambari ya Debora' na mtiririko wa milima

Nini paka zinaonyesha wazi ni kwamba kuamua hali ya nyenzo inahitaji kulinganisha vipindi viwili vya wakati: muda wa kupumzika na wakati wa majaribio, ambayo ni wakati uliopita tangu mwanzo wa deformation iliyoanzishwa na chombo. Kwa mfano, inaweza kuwa wakati umepita tangu paka aingie kwenye sinki. Kwa kawaida, mtu hugawanya wakati wa kupumzika kwa wakati wa majaribio, na ikiwa matokeo ni zaidi ya 1, nyenzo ni imara; ikiwa matokeo ni ya chini kuliko 1, nyenzo ni kiasi kioevu.

Hii inarejelewa kama nambari ya Debora , baada ya kuhani wa kike wa kibiblia ambaye alisema kwamba kwenye mizani ya wakati wa kijiolojia ("mbele ya Mungu") hata milima ilitiririka. Katika mizani ya muda mfupi zaidi mtu anaweza kuona barafu ikitiririka chini ya mabonde.

Hata kama wakati wa kupumzika ni mkubwa sana (siku, miaka), tabia inaweza kuwa ya kioevu ikiwa nambari ya Debora ni ndogo (ikilinganishwa na 1). Kinyume chake, hata kama muda wa kupumzika ni mdogo sana (milliseconds), tabia inaweza kuwa imara ikiwa nambari ya Debora ni kubwa (ikilinganishwa na 1). Hivi ndivyo hali ikiwa mtu atatazama puto ya maji mara moja inapopigwa.

Nambari ya Debora ni mfano wa nambari isiyo na kipimo: Kwa kuwa tunagawanya kipindi kimoja na kingine, uwiano hauna kitengo chochote. Katika rheolojia, na katika sayansi kwa ujumla zaidi, kuna nambari nyingi zisizo na kipimo ambazo zinaweza kutumika kuamua hali au serikali ya nyenzo au mfumo.

Puto la maji baada tu ya kuchomwa. Kwa wakati huu, maji hufanya kama mango kwa muda mfupi sana. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Kupima kasi ya kugonga keki

Kwa vinywaji kuna nambari nyingine isiyo na kipimo ambayo inaweza kutumika kukadiria ikiwa mtiririko utakuwa wa msukosuko, na mizunguko, au ikiwa itafuata kwa utulivu muhtasari wa chombo (tunasema kwamba mtiririko ni laminar ).

Ikiwa kasi ya mtiririko ni V na chombo kina ukubwa wa kawaida h perpendicular kwa mtiririko, basi tunaweza kufafanua gradient ya kasi V / h. Kinyume cha mizani hii ya upinde wa kasi kasi kama wakati.

Ufafanuzi wa gradient ya kasi. Wikipedia, Mwandishi ametolewa

Ukilinganisha muda huu na muda wa kupumzika hutoa nambari ya Reynolds katika hali ya vimiminika vinavyotawaliwa na hali ya hewa (kama vile maji), au nambari ya Weissenberg kwa zile zinazotawaliwa na unyumbufu (kama kugonga keki). Ikiwa nambari hizi zisizo na kipimo ni kubwa kwa kulinganisha na 1, basi mtiririko unaweza kuwa na msukosuko. Ikiwa ni ndogo kwa kulinganisha na 1 mtiririko unaweza kuwa laminar.

Kuuliza swali la kama paka walikuwa kioevu kuniruhusu kuonyesha matumizi ya nambari hizi zisizo na kipimo katika rheolojia. Natumai itawafanya watu wacheke kisha wafikirie.