Kas kass on tahke või vedel? Kõik sõltub mõõtmistingimustest, ütleb teadus
Vedelikku määratletakse tavaliselt materjalina, mis võtab seda ümbritseva anuma kuju, ning teatud tingimustel paistavad kassid sellele määratlusele vastavat, kirjutab veebilehel The Conversation tänavu „pila-Nobeli“ võitnud teadusuuringute alliansi Sorbonne Paris Cité juures tegutseva Pariisi Denis Diderot’ nimelise ülikooli reoloog Marc-Antoine Fardin.
Taoline mõneti vastuokslik tähelepanek kerkis mõne aasta eest esile internetiavarustes, täiendades meie kassidest sõpru käsitlevate meemide põhjalikku kollektsiooni. Esmakordne kohtumine küsimusega ajas Fardini esmalt naerma ja pani seejärel mõtlema, nagu Ig Nobeli reglement ette näeb.
Fardin otsustas küsimust teistmoodi püstitades näitlikustada osa reoloogia — ainevoolude kuju muutumisele e deformeerumisele pühendunud uurimisvaldkonna — kesksetest probleemidest. Fardini kasside reoloogia teemalist uurimust pärjati 2017. aastal Ig Nobeli füüsikapreemiaga.
Preemiaid annab igal aastal välja „võimatuid teadusuuringuid“ kajastav huumori- ja teadusajakiri Annals of Improbable Research. Preemiate eesmärgiks on tõsta esile selliseid teaduslikke uuringuid, mis esmalt ajavad inimesi naerma ja seejärel panevad mõtlema. Preemiaid jagatakse igal aastal Harvardi ülikoolis toimuval pidulikul tseremoonial.
Mis teeb vedelikust vedeliku?
Vedeliku definitsiooni tuumaks on konkreetne protsess: vedel materjal peab anumasse sobitumiseks enda kuju muutma. Antud protsessil peab olema ka iseloomulik kestus.
Reoloogias nimetatakse seda vältust valgumisperioodiks (ingl relaxation time). Selle otsustamine, kas miski kujutab endast vedelikku või mitte, sõltub sellest, kas objekti vaadeldakse valgumisperioodist pikema või lühema aja vältel.
Kui võtame näiteks kassi, on selge, et ta võib end sisaldava anuma kujuga kohaneda, kui talle selleks vaid piisavalt aega anda. Teisisõnu — kassid on vedelad, kui anname neile aega vedelikuks muutuda.
Reoloogilisest perspektiivist vaadates ei ole materjali olek tegelikult fikseeritud omadus — see, mida tuleb mõõta, on valgumisperiood. Mis on selle väärtus ja millest see sõltub? Näiteks, kas kassi valgumisperiood sõltub kassi vanusest? (Reoloogias nimetame seda parameetrit tiksotroopsuseks (ingl thixotropy).)
Kas anuma tüüp võib olla oluliseks teguriks? (Reoloogia kontekstis tähendab see nn märgumisprobleemide (ingl wetting problem) uurimist.) Või sõltub kassi vedelikusus talle avalduva pinge suurusest? (Kui pinge kasvades valgumisperiood pikeneb, on tegu nihkepinge all pakseneva (ingl shear thickening) struktuurviskoosse ainega, kui see aga lüheneb, siis on struktuurviskoosne aine nihkevedelduv (shear thinning).)
Mõistagi peetakse siinkohal „pinge“ all silmas mehaanilist pinget, mitte närvipinget ehk emotsionaalse ärrituse määra, kuid teatud juhtudel võivad need tähendused kattuda.
Deboora arv ja voolavad mäed
Üks, mida katsed kassidega selgelt näitavad, on, et materjali agregaatoleku tuvastamiseks on vaja omavahel võrrelda kaht ajavahemikku: valgumisperioodi ja eksperimendi kestust, s.t anuma käivitatud kujumuutuse algusest alates kulunud aega.
Näiteks võib see olla aeg, mis on möödunud pärast seda, kui kass astus kraanikaussi. Tavapäraselt jagatakse valgumisperioodi pikkus eksperimendi kestusega ja kui tulemus on suurem kui 1, on materjal suhteliselt tahke; kui tulemus on 1-st väiksem, on materjal suhteliselt vedel.
Seda väärtust nimetatakse Deboora arvuks piibli „Kohtumõistjate raamatust“ tuttava preestritari Deboora järgi, kes — võimalik, et geoloogilistele ajavahemikele viidates — kuulutas, et koguni „Mäet walasid ennast Issanda ees“. Väiksemates ajalistes mastaapides võime täheldada liustike voolavat liikumist mägedest alla orgudesse.
Isegi kui valgumisperiood on väga pikk — mitu päeva või aastat —, võib materjal, mille Deboora arv on väiksem kui 1, ikkagi käituda nagu vedelik. Vastupidiselt, isegi kui valgumisaeg on väga lühike — vaid mõni millisekund —, võib materjal käituda tahkisena, kui selle Deboora arv on suurem kui 1. Näiteks käitub sedasi veega täidetud õhupall täpselt lõhkemise hetkel.
Deboora arv on näide n-ö dimensioonita ühikust — kuna jagame ühe ajaperioodi kestuse teise omaga, ei kujuta nende suhtarv endast ühtegi konkreetset ühikut. Reoloogias ja teaduses laiemalt kohtame palju dimensioonita ühikuid, mille abil on võimalik kirjeldada materjali või süsteemi olekut või režiimi.
