Son los gatos un líquido?

El estudio ganó el Premio Ig Nobel de Física 2017.

Un líquido se define tradicionalmente como un material que adapta su forma para adaptarse a un contenedor. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, los gatos parecen ajustarse a esta definición.

Esta observación algo paradójica surgió en la web hace unos años y se unió a la larga lista de memes de Internet que involucra a nuestros amigos felinos. La primera vez que vi esta pregunta me hizo reír, y luego pensar.

Decidí reformularse para ilustrar algunos problemas en el corazón de la reología , el estudio de las deformaciones y flujos de la materia. Mi estudio sobre la reología de los gatos ganó el Premio Ig Nobel de Física 2017 .

Los premios son otorgados cada año por Improbable Research, una organización dedicada a la ciencia y el humor. El objetivo es resaltar los estudios científicos que primero hacen reír a las personas y luego piensan. Una ceremonia se lleva a cabo todos los años en la Universidad de Harvard.

¿Qué es un líquido?

En el centro de la definición de líquido hay una acción: un material debe ser capaz de modificar su forma para que quepa dentro de un contenedor. La acción también debe tener una duración característica.

En reología esto se llama tiempo de relajación. Determinar si algo es líquido depende de si se observa durante un período de tiempo que es más corto o más largo que el tiempo de relajación.

Si tomamos gatos como nuestro ejemplo, el hecho es que pueden adaptar su forma a su contenedor si les damos suficiente tiempo. Los gatos son, por lo tanto, líquidos si les damos tiempo para que se vuelvan líquidos.

En reología, el estado de un material no es realmente una propiedad fija; lo que debe medirse es el tiempo de relajación. ¿Cuál es su valor y de qué depende? Por ejemplo, ¿el tiempo de relajación de un gato varía con su edad? (En reología hablamos de tixotropía .)

¿Podría ser el tipo de contenedor un factor? (En reología esto se estudia en problemas de "mojadura"). ¿O varía con el grado de estrés del gato? (Se habla de "espesamiento de cizallamiento" si el tiempo de relajación aumenta con el estrés o "adelgazamiento por cizalladura" si sucede lo contrario).

Por supuesto, nos referimos al estrés en el sentido mecánico en lugar de emocional, pero los dos sentidos pueden superponerse en algunos casos.

El 'número de Deborah' y el flujo de montañas

Lo que los gatos muestran claramente es que determinar el estado de un material requiere comparar dos períodos de tiempo: el tiempo de relajación y el tiempo experimental, que es el tiempo transcurrido desde el inicio de la deformación iniciada por el contenedor.

Por ejemplo, puede ser el tiempo transcurrido desde que el gato se metió en un fregadero. Convencionalmente, uno divide el tiempo de relajación por el tiempo experimental, y si el resultado es más de 1, el material es relativamente sólido; si el resultado es menor que 1, el material es relativamente líquido.

Esto se conoce como el número de Deborah , después de la sacerdotisa bíblica que comentó que en las escalas de tiempo geológicas ("antes de Dios"), incluso las montañas fluían. En escalas de tiempo más cortas, uno puede ver los glaciares fluyendo progresivamente por los valles.

Incluso si el tiempo de relajación es muy grande (días, años), el comportamiento puede ser el de un líquido si el número de Deborah es pequeño (en comparación con 1).

Por el contrario, incluso si el tiempo de relajación es muy pequeño (milisegundos), el comportamiento puede ser el de un sólido si el número de Deborah es grande (en comparación con 1).
 Este es el caso si uno observa un globo de agua en el instante en que se rompe.

El número de Deborah es un ejemplo de número adimensional: dado que dividimos un período de tiempo por otro, la proporción no tiene ninguna unidad. En reología, y en ciencia en general, hay muchos números adimensionales que se pueden usar para determinar el estado o régimen de un material o sistema.

Midiendo la velocidad de la masa para pasteles

Para los líquidos existe otro número adimensional que puede usarse para estimar si el flujo será turbulento, con vórtices, o si seguirá con calma el contorno del contenedor (decimos que el flujo es laminar ).

Si la velocidad de flujo es V y el contenedor tiene un tamaño típico h perpendicular al flujo, entonces podemos definir el gradiente de velocidad V / h. La inversa de este gradiente de velocidad se escala como un tiempo.

Comparando esta duración y el tiempo de relajación produce el número de Reynolds en el caso de fluidos dominados por inercia (como el agua), o el número de Weissenberg para aquellos dominados por la elasticidad (como la masa de la torta).

Si estos números adimensionales son grandes en comparación con 1, entonces es probable que el flujo sea turbulento. Si son pequeños en comparación con 1, es probable que el flujo sea laminar.

La conversación.

Hacer la pregunta de si los gatos eran líquidos me permitió ilustrar el uso de estos números adimensionales en reología.

La reología (palabra introducida por Eugene Bingham en 1929) es la rama de la física de medios continuos que se dedica al estudio de la deformación y el fluir de la materia.

Setmicos

Fuente:https://theconversation.com/