the Physics of Poop

følgende essay er genoptrykt med tilladelse fra The Conversation, en online publikation, der dækker den nyeste forskning.

den gamle kinesiske praktiserede copromancy, diagnosen sundhed baseret på form, størrelse og tekstur af afføring. Det samme gjorde egypterne, grækerne og næsten enhver gammel kultur. Selv i dag kan din læge spørge, hvornår du sidst havde afføring og beskrive det i udsøgte detaljer.

jo da, det er ubehageligt at tale om. Men det er her videnskaben kommer ind, fordi det, vi ikke kan lide at diskutere, stadig kan forårsage skade. Irritabel tarmsyndrom, inflammatorisk tarmsygdom, gastrointestinale infektioner og andre poop-relaterede lidelser koster amerikanerne milliarder af dollars årligt.

men forsøger at dæmme op for disse problemer var ikke vores vigtigste motivation for at forsøge at finde ud af nogle af fysikken i afføring. Det var noget andet, meget mere uhyggeligt.

fra personlig observation, ind i laboratoriet

når forældreskab rammer, rammer det hårdt. En af os er en arbejdende far, der overlevede ved at lære et nyt sæt færdigheder, hvoraf den ene var fækal analyse. År med bleeskift og derefter pottestræning vendte mig fra en poo-analyse novice til en tryllebundet kender. Mit liv går forbi i en række billeder: hårde afføring pellets som ærter til lange afføring som en glat slange til en pølse af brunt vand.

i modsætning til de gamle troede vi ikke, at vi kunne forudsige fremtiden fra børns afføring. Men vi syntes, det var værd at prøve at forstå, hvor alle disse former kommer fra. At have et laboratorium til at besvare spørgsmål om hverdagen er en af de forskellige glæder ved at være videnskabsmand.

som væskedynamikere gik vi sammen med kolorektalkirurg Daniel Chu og to dygtige studerende, Candice Kaminski og Morgan LaMarca, der filmede afføring og håndplukket afføring fra 34 pattedyrarter i Atlanta for at måle deres tæthed og viskositet.

vi lærte, at de fleste elefanter og andre planteædere skaber “floaters”, mens de fleste tigre og andre kødædere skaber “synk.”Uforvarende rangerede vi også afføring fra mest til mindst ildelugtende, startende med tiger og næsehorn og gik helt til panda. Dyreparkens forskellige dyr gav os en række fækale størrelser og former, der tjente som uafhængige beviser for at validere vores matematiske model for varigheden af afføring.

vi placerede også fæces i en enhed kaldet et “rheometer”, en præcisionsblender, der kan måle egenskaberne af væskelignende og fastlignende materialer som chokolade og shampoo. Vores laboratorium deler to rheometre med Georgia Tech fysiker Alberto Fernandes-Nieves. Vi har siden kategoriseret rheometrene som “clean rheometer” og “David Hu rheometer” – som har set sin rimelige andel af frøspyt, slim og afføring.

hemmeligheden til hastigheden

Hvad lærte vi ellers? Større dyr har længere afføring. Og større dyr defecerer også med højere hastighed. For eksempel defecerer en elefant med en hastighed på seks centimeter i sekundet, næsten seks gange så hurtigt som en hund. Hastigheden af afføring for mennesker er mellem: to centimeter pr.

tilsammen betød dette, at afførelsens varighed er konstant på tværs af mange dyrearter – omkring 12 sekunder (plus eller minus 7 sekunder) – selvom volumenet varierer meget. Under forudsætning af en klokkekurvefordeling tager 66 procent af dyrene mellem 5 og 19 sekunder at afværge. Det er en overraskende lille rækkevidde, da elefantafføring har et volumen på 20 liter, næsten tusind gange mere end en hunds, ved 10 milliliter. Hvordan kan store dyr defecere med så høj hastighed?

svaret, vi fandt, var i egenskaberne af et ultra-tyndt lag af slim, der forede tarmens vægge. Slimlaget er så tyndt som menneskehår, så tyndt, at vi kun kunne måle det ved at veje afføring, da slimet fordampede. På trods af at det er tyndt, er slimet meget glat, mere end 100 gange mindre tyktflydende end afføring.

under afføring bevæger afføring sig som et solidt stik. Derfor er den kombinerede længde og diameter af afføring under ideelle forhold simpelthen bestemt af formen af ens endetarm og tyktarmen. En af de store resultater af vores undersøgelse var, at afføring strækker sig halvvejs op i tyktarmen fra endetarmen.

en samlet teori om pooping

ved at sætte længden af afføring sammen med slimets egenskaber har vi nu en sammenhængende fysikhistorie for, hvordan afføring sker. Større dyr har længere afføring, men også tykkere slim, så de kan opnå høje hastigheder med det samme tryk. Uden dette slimlag er afføring muligvis ikke mulig. Ændringer i slim kan bidrage til flere lidelser, herunder kronisk forstoppelse og endda infektioner af bakterier som C. difficile i mave-tarmkanalen.

ud over blot at følge vores videnskabelige nysgerrighed har vores målinger af afføring også haft nogle praktiske anvendelser. Vores afføring data hjalp os med at designe en voksen ble til astronauter. Astronauter ønsker at blive i rumdragter i syv dage, men er begrænset af deres bleer. Ved at drage fordel af viskositeten af afføring designede vi en ble, der adskiller fæces væk fra direkte kontakt med huden. Det var en semifinalist i NASA Space Poop Challenge tidligere i år.

det viser bare, at fysik og matematik kan bruges overalt, selv i din toiletskål.

denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den oprindelige artikel.