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貓體力學!喵星人的固液態之謎——2017搞笑諾貝爾物理學獎

前有薛丁格討論貓的生死,現有論文討論貓是否為流體。

就算牠一天到晚鄙視你要你清貓砂,喵星人在科學研究上也貢獻了很多的心力啊~

現在人也討論”貓“是否為流體,圖/by purdypotato@imgur。

一直以來,正常人分辨氣體、液體和固體的方式很簡單 :只要他有固定的體積和形狀,它就是固體;如果他有固定的體積但形狀會隨容器改變,它就是液體;如果它只要可以,就會變形和改變體積,它就是氣體。

根據這個原則,一個論壇(boredpanda.com)中的網友整理出了一系列貓「維持體積,但隨著容器改變形狀」的圖片,欲證明貓其實是液體。這篇論文的作者Marc-Antoine Fardin 在看過這些圖片之後,決定用更科學的方式,來探討喵星人是否真的符合流體的條件。

Image credits: guremike

在這之前,需要先知道一下他判斷的依據——底波拉數。

底波拉數(De)是假設在時間足夠的條件下,即使是最堅硬的物體(例如山)也會流動,因此流動特性不是一個材料本身的絕對屬性,而是一種相對屬性,底波拉數中整合了材料的彈性粘滯度。若底波拉數越小,材料特性越接近流體,底波拉數非常高時,則越接近固體。

底波拉數我們可以用 De= t/T,來表示,其中 t 為馳豫時間,而 T 為觀測時間尺度的比值。馳豫時間表示一材料反應施力或形變時所需要的時間,熱力學上就是達成熱平衡的時間;而觀測時間尺度是指探索材料反應的實驗(或電腦模擬)的時間尺度,後者是接下來判斷的重要依據,因為如果貓在達成平衡狀態、反應施力的時間都差不多的話,與底波拉數最有關係的就是觀測到這個行為的時間究竟是長是短。

簡單的說~我們只需要看到貓的行為表現,就可以用底波拉數來定義「貓是否為液體」。

所以這位作者做的事情很簡單~ 他從那位網友提出的圖片中挑了幾個具有代表性的,並從這些圖片檢測貓貓的流體性質,如以下:

(a.)  這隻跳起來在空中旋轉的貓符合底波拉數上「固體」的定義。因為牠在極短的觀測時間中發生了旋轉、彈跳、型變,因為整個過程發生的時間極短,所以De>1。

(b.)  當貓再慢慢地發生形變、把杯子填滿的的時候,我們就需要把觀測時間拉長一點,因此De<1,較符合液體的定義。但和(a)綜合下來,儘管是不同一隻貓,我們還是可以先把馳豫時間t定為1秒~1分鐘之間。

(c,d)  如果是老一點的貓,可能會有更長的延展時間(T)來發生同樣程度的型變、反應、熱平衡,所以會更接近液體,甚至趨近於氣體,理論上打破我們「貓是不可壓縮」的解設;而年輕的貓更好動,不只可以用更少的延展時間T來達到平衡,整個馳豫時間t持續的時間可能會更長 (因為停不下來),所以更接近固體。

當然這些只是少數的喵體表現,要試證明牠們是液體,就需要看到一些液體(或是類似液體的東西)才會有的特性:

(a.)當貓咪對物體的附著力大於內聚力的時候,也能進行液體獨有的毛細現象。貓體沿著身體軸心型變的時候,牠們比較習慣呈現鬆弛的狀態,所以比起側向他們更容易前後延展;再來,大部分的時候貓都是呈現表面流(有任何一面是接觸空氣,而非如下水道般的管流),所以比起貓本身的物理特性,牠與接觸面的物理性質之間的關係更加重要,才會產生這個現象。

(b.)貓體與某些物體接觸,會呈現一個極大接觸角,產生杯子表面的水會因為表面張力形成弧形的現象一樣,展現出貓也能承受剪力。

(c.)就像瓶子中的番茄醬一樣,如果貓體的狀態低於自己的屈服應力,就不會流動,看起來像固定在罐子底部一樣。

(d.)當貓體散佈在不平整結構上的時候,就會發生這樣的情況,看似黏滯性極大的液體。

(e.)有時候貓體又據有疏水性。

(f.)光滑地板上貓體會產生的反應,牠們和硬質木板間的相對速度及剪應力、黏滯性表現,很像把水倒在地板上的行為。

(g.)貓體在垂直牆壁上也會因為重力產生黏稠度。

以上就是作者整理出來,貓作為液體(更精確一點是流體)應該會產生的現象,而我們的喵星人都發生了…….所以牠們到底是流體還是固體呢?

從排水孔流走了(來源:giphy)

原始文獻:Rheology of……. Cats

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關於作者

泛科學的實習編輯,目前就讀台大生物環境系統工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但這或多或少已經不重要了。除了環境外,也對太空科學和科普教育有很大的興趣。在吊車尾的物理數學影響下,多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。