the Physics of Poop

následující esej je přetištěn se svolením konverzace, online publikace pokrývající nejnovější výzkum.

starověcí Číňané praktikovali kopromanci, diagnózu zdraví založenou na tvaru, velikosti a struktuře výkalů. Stejně tak Egypťané, Řekové a téměř každá starověká kultura. Dokonce i dnes se Váš lékař může zeptat, kdy jste naposledy měli pohyb střev a podrobně ho popsat.

jistě, je nepříjemné mluvit. Ale tam přichází věda, protože to, o čem neradi diskutujeme, může stále způsobit škodu. Syndrom dráždivého tračníku, zánětlivé onemocnění střev, gastrointestinální infekce a další nemoci související s hovno stojí Američany miliardy dolarů ročně.

ale pokus o zastavení těchto problémů nebyl naší hlavní motivací k pokusu zjistit část fyziky defekace. Bylo to něco jiného, mnohem zlověstnějšího.

z osobního pozorování do laboratoře

když rodičovství zasáhne, zasáhne tvrdě. Jeden z nás je pracující táta, který přežil tím, že se naučil novou sadu dovedností, z nichž jedna byla fekální analýza. Roky změn plenek a pak nočník trénink mě změnil z poo-analýzy nováčka na wizened znalec. Můj život prochází řadou obrazů: tvrdé výkaly pelety jako hrášek na dlouhé výkaly jako hladký had Na louži hnědé vody.

na rozdíl od starověku jsme nevěřili, že bychom mohli předpovídat budoucnost z dětské stolice. Ale mysleli jsme si, že stojí za to pochopit, odkud všechny tyto tvary pocházejí. Mít laboratoř pro zodpovězení otázek o každodenním světě je jedním z výrazných potěšení být vědcem.

jako dynamici tekutin jsme spojili své síly s kolorektálním chirurgem Danielem Chu a dvěma oddanými vysokoškoláky Candice Kaminski a Morgan LaMarca, kteří natáčeli defekaci a ručně sbírané výkaly z 34 druhů savců v Zoo Atlanta za účelem měření jejich hustoty a viskozity.

dozvěděli jsme se, že většina slonů a jiných býložravců vytváří „plováky“, zatímco většina tygrů a jiných masožravců vytváří „platiny“.“Neúmyslně jsme také zařadili výkaly od nejvíce po nejméně páchnoucí, počínaje tygrem a nosorožcem a až po pandu. Rozmanitost zvířat zoo nám poskytla řadu fekálních velikostí a tvarů, které sloužily jako nezávislé důkazy k ověření našeho matematického modelu trvání defekace.

výkaly jsme také umístili do zařízení zvaného „reometr“, přesný mixér, který dokáže měřit vlastnosti kapalných a pevných materiálů, jako je čokoláda a šampon. Naše laboratoř sdílí dva reometry s fyzikem Georgia Tech Alberto Fernandez-Nieves. Od té doby jsme reometry kategorizovali jako „čistý reometr“ a „David Hu reometr“ – který viděl svůj spravedlivý podíl žabích slin, hlenu a výkalů.

tajemství rychlosti

co jiného jsme se naučili? Větší zvířata mají delší výkaly. A větší zvířata se také vyprazdňují vyšší rychlostí. Například slon se vyprazdňuje rychlostí šest centimetrů za sekundu, téměř šestkrát rychleji než pes. Rychlost defekace u lidí je mezi: dvěma centimetry za sekundu.

společně to znamenalo, že doba trvání defekace je u mnoha živočišných druhů konstantní-kolem 12 sekund (plus nebo minus 7 sekund) – i když se objem velmi liší. Za předpokladu distribuce zvonové křivky trvá 66 procent zvířat 5 až 19 sekund, než se vyprázdní. Je to překvapivě malý rozsah, vzhledem k tomu, že sloní výkaly mají objem 20 Litrů, téměř tisíckrát více než psí, při 10 mililitrech. Jak se mohou velká zvířata vyprázdnit tak vysokou rychlostí?

odpověď, kterou jsme zjistili, byla ve vlastnostech ultratenké vrstvy hlenu lemující stěny tlustého střeva. Vrstva hlenu je stejně tenká jako lidské vlasy, tak tenká, že jsme ji mohli měřit pouze vážením výkalů, jak se hlen odpařoval. Přestože je hlen tenký, je velmi kluzký, více než 100krát méně viskózní než výkaly.

během defekace se výkaly pohybují jako pevná zátka. Proto je v ideálních podmínkách kombinovaná délka a průměr výkalů jednoduše určena tvarem konečníku a tlustého střeva. Jedním z velkých zjištění naší studie bylo, že výkaly sahají do poloviny délky tlustého střeva od konečníku.

sjednocená teorie poopingu

uvedení délky výkalů spolu s vlastnostmi hlenu, nyní máme soudržný fyzikální příběh o tom, jak dochází k defekaci. Větší zvířata mají delší výkaly, ale také silnější hlen, což jim umožňuje dosáhnout vysokých rychlostí se stejným tlakem. Bez této vrstvy hlenu nemusí být defekace možná. Změny hlenu mohou přispět k několika onemocněním, včetně chronické zácpy a dokonce i infekcí bakteriemi, jako je C. difficile v gastrointestinálním traktu.

kromě pouhého sledování naší vědecké zvědavosti měla naše měření výkalů také některé praktické aplikace. Naše údaje o defekaci nám pomohly navrhnout pleny pro dospělé pro astronauty. Astronauti chtějí zůstat v kosmických oblecích sedm dní, ale jsou omezeni svými plenkami. S využitím viskozity výkalů jsme navrhli plenu, která odděluje výkaly od přímého kontaktu s kůží. Byl to semifinalista v NASA Space Poop Challenge na začátku tohoto roku.

jen ukazuje, že fyziku a matematiku lze použít všude, dokonce i ve vaší záchodové míse.

tento článek byl původně publikován na konverzaci. Přečtěte si původní článek.