猫体力学!喵星人的固液态之谜——2017搞笑诺贝尔物理学奖

前有薛丁格讨论猫的生死,现有论文讨论猫是否为流体。

就算牠一天到晚鄙视你要你清猫砂,喵星人在科学研究上也贡献了很多的心力啊~

现在人也讨论”猫“是否为流体,图/by @imgur。

一直以来,正常人分辨气体、液体和固体的方式很简单 :只要他有固定的体积和形状,它就是固体;如果他有固定的体积但形状会随容器改变,它就是液体;如果它只要可以,就会变形和改变体积,它就是气体。

根据这个原则,一个论坛(boredpanda.com)中的网友,欲证明猫其实是液体。这篇论文的作者 在看过这些图片之后,决定用更科学的方式,来探讨喵星人是否真的符合流体的条件。

 

在这之前,需要先知道一下他判断的依据——底波拉数。

底波拉数(De)是假设在时间足够的条件下,即使是最坚硬的物体(例如山)也会流动,因此流动特性不是一个材料本身的绝对属性,而是一种相对属性,底波拉数中整合了材料的及。若底波拉数越小,材料特性越接近流体,底波拉数非常高时,则越接近固体。

底波拉数我们可以用 De= t/T,来表示,其中 t 为,而 T 为观测时间尺度的比值。驰豫时间表示一材料反应施力或形变时所需要的时间,热力学上就是达成热平衡的时间;而观测时间尺度是指探索材料反应的实验(或电脑模拟)的时间尺度,后者是接下来判断的重要依据,因为如果猫在达成平衡状态、反应施力的时间都差不多的话,与底波拉数最有关系的就是观测到这个行为的时间究竟是长是短。

简单的说~我们只需要看到猫的行为表现,就可以用底波拉数来定义「猫是否为液体」。

所以这位作者做的事情很简单~ 他从那位网友提出的图片中挑了几个具有代表性的,并从这些图片检测猫猫的流体性质,如以下:

(a.)  这只跳起来在空中旋转的猫符合底波拉数上「固体」的定义。因为牠在极短的观测时间中发生了旋转、弹跳、型变,因为整个过程发生的时间极短,所以De>1。

(b.)  当猫再慢慢地发生形变、把杯子填满的的时候,我们就需要把观测时间拉长一点,因此De<1,较符合液体的定义。但和(a)综合下来,尽管是不同一只猫,我们还是可以先把驰豫时间t定为1秒~1分钟之间。

(c,d)  如果是老一点的猫,可能会有更长的延展时间(T)来发生同样程度的型变、反应、热平衡,所以会更接近液体,甚至趋近于气体,理论上打破我们「猫是不可压缩」的解设;而年轻的猫更好动,不只可以用更少的延展时间T来达到平衡,整个驰豫时间t持续的时间可能会更长 (因为停不下来),所以更接近固体。

当然这些只是少数的喵体表现,要试证明牠们是液体,就需要看到一些液体(或是类似液体的东西)才会有的特性:

(a.)当猫咪对物体的附着力大于内聚力的时候,也能进行液体独有的。猫体沿着身体轴心型变的时候,牠们比较习惯呈现松弛的状态,所以比起侧向他们更容易前后延展;再来,大部分的时候猫都是呈现表面流(有任何一面是接触空气,而非如下水道般的管流),所以比起猫本身的物理特性,牠与接触面的物理性质之间的关系更加重要,才会产生这个现象。

(b.)猫体与某些物体接触,会呈现一个极大接触角,产生杯子表面的水会因为表面张力形成弧形的现象一样,展现出猫也能承受剪力。

(c.)就像瓶子中的番茄酱一样,如果猫体的状态低于自己的屈服应力,就不会流动,看起来像固定在罐子底部一样。

(d.)当猫体散布在不平整结构上的时候,就会发生这样的情况,看似黏滞性极大的液体。

(e.)有时候猫体又据有疏水性。

(f.)光滑地板上猫体会产生的反应,牠们和硬质木板间的相对速度及剪应力、黏滞性表现,很像把水倒在地板上的行为。

(g.)猫体在垂直墙壁上也会因为重力产生黏稠度。

以上就是作者整理出来,猫作为液体(更精确一点是流体)应该会产生的现象,而我们的喵星人都发生了…….所以牠们到底是流体还是固体呢?

 

 

 

 

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