Kediler Sıvı mıdır?

Bana Ig Nobel ödülü kazandıran sorunun cevabı: Kediler sıvı mıdır?

Doğru koşullar altında kedilerin vücutları sıvılar gibi davranabilir. John Benson/Flickr , CC BY

Sıvı, geleneksel olarak bir kaba uyması için şeklini değiştiren bir malzeme olarak tanımlanır. Yine de belirli koşullar altında, kediler bu tanıma uyuyor gibi görünüyor.

Burada, vücudu bir lavaboya mükemmel şekilde uyan bir kedi, bir sıvı gibi davranıyor. William McCamment , CC BY-SA

Bu biraz paradoksal gözlem birkaç yıl önce internette ortaya çıktı ve kedi dostlarımızı içeren uzun internet şakaları listesine katıldı. Bu soruyu ilk gördüğümde güldüm ve sonra düşündüm. Madde deformasyonları ve akışlarının incelenmesi olan reolojinin kalbindeki bazı sorunları göstermek için yeniden formüle etmeye karar verdim. Kedilerin reolojisi üzerine yaptığım çalışma 2017 Ig Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

Ödüller her yıl bilim ve mizah odaklı bir kuruluş olan Improbable Research tarafından veriliyor. Amaç, önce insanları güldüren, sonra düşündüren bilimsel çalışmaları vurgulamak. Her yıl Harvard Üniversitesi'nde bir tören düzenleniyor.

Sıvı nedir?

Bir sıvının tanımının merkezinde bir eylem vardır: Bir malzeme bir kabın içine sığacak şekilde formunu değiştirebilmelidir. Eylemin ayrıca karakteristik bir süresi olmalıdır. Reolojide buna gevşeme süresi denir. Bir şeyin sıvı olup olmadığını belirlemek, gevşeme süresinden daha kısa veya daha uzun bir zaman periyodunda gözlemlenip gözlemlenmediğine bağlıdır.

Örnek olarak kedileri ele alırsak, gerçek şu ki onlara yeterli zaman verirsek şekillerini bulundukları kaba göre ayarlayabilirler. Dolayısıyla kediler, sıvı olmaları için zaman verirsek sıvıdırlar. Reolojide, bir malzemenin durumu gerçekten sabit bir özellik değildir – ölçülmesi gereken şey gevşeme süresidir. Değeri nedir ve neye bağlıdır? Örneğin, bir kedinin gevşeme süresi yaşına göre değişir mi? (Reolojide tiksotropiden bahsediyoruz.)

Kabın türü bir faktör olabilir mi? (Reolojide bu, "ıslatma" problemlerinde incelenir.) Yoksa kedinin stres derecesine göre mi değişir? (Gevşeme süresi stresle artıyorsa "kesme kalınlaşması"ndan, tersi doğruysa "kesme incelme"sinden bahsedilir.) Elbette, stresten duygusal anlamda değil mekanik anlamda bahsediyoruz, ancak bazı durumlarda iki anlam örtüşebilir.

Bir vadiden aşağı akan bir buzul.

'Deborah sayısı' ve dağların akışı

Kedilerin açıkça gösterdiği şey, bir malzemenin durumunu belirlemenin iki zaman periyodunu karşılaştırmayı gerektirmesidir: gevşeme süresi ve deney süresi, yani kabın başlattığı deformasyonun başlangıcından bu yana geçen zaman. Örneğin, kedinin bir lavaboya adım atmasından bu yana geçen zaman olabilir. Geleneksel olarak, gevşeme süresi deney süresine bölünür ve sonuç 1'den fazlaysa, malzeme nispeten katıdır; sonuç 1'den düşükse, malzeme nispeten sıvıdır.

Bu, jeolojik zaman ölçeklerinde ("Tanrı'dan önce") dağların bile aktığını belirten İncil rahibesinin ardından Deborah sayısı olarak anılır. Daha kısa zaman ölçeklerinde buzulların vadilerden aşağı doğru kademeli olarak aktığını görebilirsiniz.

Gevşeme süresi çok büyük olsa bile (günler, yıllar), Deborah sayısı küçükse (1'e kıyasla) davranış bir sıvının davranışı olabilir. Tersine, gevşeme süresi çok küçük olsa bile (milisaniyeler), Deborah sayısı büyükse (1'e kıyasla) davranış bir katının davranışı olabilir. Bu, bir su balonunun patladığı anda gözlemlenmesi durumunda geçerlidir.

Deborah sayısı boyutsuz sayının bir örneğidir: Bir zaman periyodunu diğerine böldüğümüzden, oranın bir birimi yoktur. Reolojide ve daha genel olarak bilimde, bir malzemenin veya sistemin durumunu veya rejimini belirlemek için kullanılabilen birçok boyutsuz sayı vardır.

Su balonu, delindikten hemen sonra. Bu anda, su çok kısa bir süre için katı gibi davranır. Sunil Soundarapandian/Flickr , CC BY

Kek hamurunun hızının ölçülmesi

Sıvılar için, akışın türbülanslı mı, girdaplı mı olacağını, yoksa kabın dış hatlarını sakin bir şekilde mi izleyeceğini (akışın laminer olduğunu söyleriz) tahmin etmek için kullanılabilecek başka bir boyutsal sayı daha vardır.

Akış hızı V ise ve kabın akışa dik tipik bir boyutu h ise, o zaman hız gradyanını V/h olarak tanımlayabiliriz. Bu hız gradyanının tersi zamana göre ölçeklenir.

Hız gradyanının tanımı. Wikipedia, Yazar tarafından sağlanmıştır

Bu süre ve gevşeme zamanını karşılaştırmak, eylemsizlik (su gibi) tarafından domine edilen akışkanlar durumunda Reynolds sayısını veya elastikiyet (kek hamuru gibi) tarafından domine edilen akışkanlar durumunda Weissenberg sayısını üretir. Bu boyutsuz sayılar 1'e kıyasla büyükse, akışın türbülanslı olması muhtemeldir. 1'e kıyasla küçükse, akışın laminer olması muhtemeldir.

Kedilerin bir sıvı olup olmadığı sorusunu sormak, bu boyutsuz sayıların reolojide kullanımını göstermeme olanak sağladı. Umarım insanları güldürür ve sonra düşündürür.