猫真的是液体吗?看看科学家怎么说

作者:孙慧敏/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-15

这项研究还获得了2017年的搞笑诺贝尔奖。

猫真的是液体吗?看看科学家怎么说

  习惯上,液体被定义为适应容器形状的材料,即容器是什么形状,注入液体后,液体就呈现什么形状。然而,在某些条件下,猫似乎也符合这个定义。

  几年前,网络上出现了关于猫朋友的有点自相矛盾的现象,还被入选为关于网络快速传播现象之一。马克-安东尼•法尔丹(Marc-Antoine Fardin),巴黎狄德罗大学(Université Paris Diderot)的流变学研究员。他表示当他第一次看到这个问题时,在大笑之后便陷入了深思。

  法尔丹决定重新研究这些问题,以流变学为核心来阐明物质的变形和流动等问题,这项研究在2017年获得搞笑诺贝尔物理学奖。

  这个奖项每年都由一个致力于幽默科学的不太可能研究机构(Improbable Research)颁发,这个机构的目标就是突出让人笑而深思的科学研究。哈佛大学每年都会举行一个仪式。

  液体是什么?

  液体的定义中心是一个相互作用:一个材料必须能够为了适应容器而修改自己的形状,这个过程具有一个特征持续时间。

  在流变学中,这叫做弛豫时间。确定某个材料是否为液体取决于观测的时间周期与弛豫时间的比较结果。

  以猫为例,如果给予它们足够的时间,它们就能使自己的形状适合于容器。如果我们给猫变成液体的时间,它们就是液体。

  在流变学中,材料的状态并不是一个固定的性质,必须测量的是弛豫时间。那么弛豫时间的价值是什么?又取决于什么呢?例如,猫的弛豫时间随着年龄的变化而变化吗?

  容器的类型是一个因素吗?或者它会随着猫的压力程度而变化吗?

  当然,这里的压力是指机械意义上的压力而不是情感上的压力,但在某些情况下,这两种含义可能会重合。

  狄勃拉数和山脉的流动

  从猫的表现可以清楚的看出,决定材料的状态需要比较两个时间周期:弛豫时间和实验时间,实验时间是容器从变形开始流逝的时间。

  例如,这可能是猫进入水池后开始计算流逝的时间。一般,弛豫时间除以实验时间,如果结果大于1,则材料相对固体;如果结果小于1,则材料相对液体

  这被称为狄勃拉数,《圣经》的女祭司将狄勃拉数用于描述地质时间尺度(在上帝之前)以及山脉的流动。在较短的时间尺度上,人们可以看到冰川逐渐向下流过山谷。

  即使弛豫时间非常大(数天甚至数年),如果狄勃拉数很小(与1相比),这种行为也可以是液体。

  相反,即使弛豫时间非常小(毫秒),如果狄勃拉数很大(相比于1),这种行为也可以是固体的。这就好比在你观察到一个水球的瞬间它发生爆炸。

  狄勃拉数是一个无量纲的数字,因为是弛豫时间除以实验时间,所以比率没有任何单位。在流变学和更广泛的科学中,有许多无量纲的数字可以用来确定物质或者系统的状态。

  衡量蛋糕糊的速度

  对于液体来说,还有另一个无量纲的数字,可以用来估计湍流、涡流或者水流是否会平静地跟随容器的轮廓变化(又称为层流)。

  如果流速是v,容器有一个垂直于流量的典型尺寸h,那么我们可以定义速度梯度为v/h。速度梯度的倒数的单位也是时间的单位。

  这段时间和弛豫时间的比值就是雷诺数,用来描述由惯性控制的流体;或者称为魏森贝格数,用来描述由弹性(如蛋糕糊)控制的流体。

  如果这些无量纲的数相比于1算大的,那么流体可能是湍流;如果很小,则很有可能是层流。

  询问猫是否为液体的问题能够让法尔丹有机会向大家阐述流变学中这些无量纲数字的含义,希望大家在听完发笑之后能够认真思考。

 

  蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 孙慧敏,转载须授权

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