Besvara frågan som vann mig Ig Nobelpriset: Är katter flytande?

Anonim

En vätska definieras traditionellt som ett material som anpassar sin form för att passa en behållare. Men under vissa förhållanden verkar katter passa denna definition.

Denna lite paradoxala observation uppstod på webben för några år sedan och gick med i den långa listan över internet memes som involverar våra kattvänner. När jag först såg denna fråga fick det mig att skratta, och då tänka. Jag bestämde mig för att omformulera det för att illustrera vissa problem i hjärtat av reologi, studier av deformationer och materialflöden. Min undersökning om katternas reologi vann 2017 Nobelpriset i fysik.

Prisen delas ut varje år av Improbable Research, en organisation som ägnas åt vetenskap och humor. Målet är att lyfta fram vetenskapliga studier som först gör att människor skrattar, tänker sedan. En ceremoni hålls varje år på Harvard University.

Vad är en vätska?

I mitten av definitionen av en vätska är en åtgärd: Ett material måste kunna modifiera sin form för att passa in i en behållare. Åtgärden måste också ha en karakteristisk varaktighet. I reologi kallas detta avslappningstiden. Att bestämma om något är flytande beror på huruvida det observeras under en tidsperiod som är kortare eller längre än avslappningstiden.

Om vi ​​tar katter som vårt exempel är faktumet att de kan anpassa sin form till behållaren om vi ger dem tillräckligt med tid. Katter är således flytande om vi ger dem tid att bli flytande. I reologi är materialets tillstånd inte en fast egendom - det som måste mätas är avslappningstiden. Vad är dess värde och vad beror det på? Till exempel varierar avslappningstiden för en katt med sin ålder? (I reologi talar vi om tixotropi.)

Kan typen av behållare vara en faktor? (I reologi studeras detta i "vätning" problem.) Eller varierar det med kattens stressgrad? (Man talar om "skjuvförtjockning" om avslappningstiden ökar med stress eller "skjuvförtunning" om motsatt är sant.) Naturligtvis menar vi stress i mekanisk mening snarare än emotionell, men de två betydelserna kan överlappa vissa fall.

Deborahtalet och flödet av berg

Vilka katter visar klart är att det att bestämma tillståndet för ett material kräver att man jämför två tidsperioder: avslappningstiden och försökstiden, vilket är tiden som förflutit sedan deformationens början påbörjades av behållaren. Till exempel kan det vara tiden som gått sedan katten gick in i en diskbänk. Konventionellt fördelar man avslappningstiden med experimenttiden, och om resultatet är mer än 1 är materialet relativt fast; Om resultatet är lägre än 1 är materialet relativt flytande.

Detta kallas Deborahtalet, efter den bibliska prästessen som påpekade att på geologiska tidsskalor ("före Gud") flydde jämn berg. På kortare tidskalor kan man se glaciärer progressivt flyta ner dalarna.

Även om avkopplingstiden är mycket stor (dagar, år) kan beteendet vara för en vätska om Deborahtalet är litet (jämfört med 1). Omvänt, även om avkopplingstiden är väldigt liten (millisekunder), kan beteendet vara ett solidt om Deborahtalet är stort (jämfört med 1). Detta är fallet om man observerar en vattenballong vid det ögonblick när det blåses.

Deborahtalet är ett exempel på dimensionslösa nummer: Eftersom vi delar en tidsperiod av en annan har förhållandet ingen enhet. I reologi och i vetenskap mer allmänt finns det många dimensionslösa tal som kan användas för att bestämma tillstånd eller regimer för ett material eller system.

Mäta hastigheten på kaka smeten

För vätskor finns ett annat dimensionslöst nummer som kan användas för att uppskatta om flödet kommer att vara turbulent, med vorter eller om det kommer att lugnt följa behållarens kontur (vi säger att flödet är laminärt).

Om flödeshastigheten är V och behållaren har en typisk storlek h vinkelrätt mot flödet, kan vi definiera hastighetsgradienten V / h. Den inversa av denna hastighetsgradient vågar som en tid.

Att jämföra denna varaktighet och avkopplingstiden ger Reynolds-talet för fluider dominerade av tröghet (som vatten), eller Weissenbergtalet för dem som domineras av elasticitet (som tårtapp). Om dessa dimensionslösa tal är stora jämfört med 1, är flödet sannolikt turbulent. Om de är små i jämförelse med 1 är flödet sannolikt laminärt.

Fråga om huruvida katter var en vätska tillät mig att illustrera användningen av dessa dimensionslösa tal i reologi. Jag hoppas att det kommer att få folk att skratta och då tänka.

Denna artikel publicerades ursprungligen på franska