the Physics of Poop

a következő esszét a The Conversation engedélyével újranyomtatják, egy online kiadvány, amely a legújabb kutatásokat tartalmazza.

az ókori kínaiak gyakorolták a kopromanciát, az egészség diagnózisát a széklet alakja, mérete és szerkezete alapján. Ezt tették az egyiptomiak, a görögök és szinte minden ősi kultúra. Orvosa még ma is megkérdezheti, mikor volt utoljára bélmozgása, és részletesen leírja.

persze, kényelmetlen erről beszélni. De itt jön be a tudomány, mert amiről nem szeretünk beszélni, az még mindig kárt okozhat. Irritábilis bél szindróma, gyulladásos bélbetegség, gyomor-bélrendszeri fertőzések és más kaki kapcsolatos betegségek költsége amerikaiak milliárd dollárt évente.

de ezeknek a problémáknak a felszámolása nem volt a fő motivációnk arra, hogy megpróbáljuk kitalálni a székletürítés fizikáját. Valami más volt, sokkal baljósabb.

személyes megfigyelésből a laboratóriumba

amikor a szülői hit eléri, keményen üt. Az egyikünk egy dolgozó apa, aki túlélte az új készségek elsajátítását, amelyek közül az egyik a székletelemzés volt. A pelenkacsere évei, majd a bili edzés egy kaki-elemző kezdőből varázsolt műértővé változtatott. Az életem egy képsorozatban halad el: kemény ürülékpelletek, mint a borsó, a hosszú ürülékhez, mint egy sima kígyó a barna víz pocsolyájához.

az ősökkel ellentétben nem hittük, hogy a gyermekek székletéből meg tudjuk jósolni a jövőt. De úgy gondoltuk, hogy érdemes megpróbálni megérteni, honnan származnak ezek a formák. A tudós lét egyik legkülönfélébb öröme, ha laboratóriumunk van a mindennapi világgal kapcsolatos kérdések megválaszolására.

folyadékdinamikusként egyesítettük erőinket Daniel Chu kolorektális sebésszel, valamint két bátor egyetemi hallgatóval, Candice Kaminskivel és Morgan Lamarcával, akik 34 emlősfaj székletürítését és kézzel szedett ürülékét filmezték az atlantai állatkertben, hogy megmérjék sűrűségüket és viszkozitásukat.

megtudtuk, hogy a legtöbb elefánt és más növényevő “úszó”, míg a legtöbb tigris és más ragadozó “süllyesztőt” hoz létre.”Véletlenül az ürüléket is rangsoroltuk a legtöbbtől a legkevésbé büdösig, kezdve a Tigrissel és az orrszarvúval, egészen a pandáig. Az állatkert állatainak sokfélesége számos székletméretet és formát biztosított számunkra, amelyek független bizonyítékként szolgáltak a székletürítés időtartamára vonatkozó matematikai modellünk igazolására.

az ürüléket egy “reométernek” nevezett eszközbe is helyeztük, egy precíziós turmixgépbe, amely képes mérni a folyadékszerű és szilárd anyagok, például a csokoládé és a sampon tulajdonságait. A laborunk két reométert oszt meg Alberto Fernandez-Nieves Georgia Tech fizikussal. Azóta a reométereket a “tiszta reométer” és a “David Hu reométer” kategóriába soroltuk – amely a béka nyálának, nyálkájának és ürülékének méltányos részét látta.

a sebesség titka

mit tanultunk még? A nagyobb állatoknak hosszabb székletük van. A nagyobb állatok nagyobb sebességgel is ürülnek. Például egy elefánt másodpercenként hat centiméter sebességgel ürít, majdnem hatszor olyan gyorsan, mint egy kutya. Az emberek kiszabadulásának sebessége között van: két centiméter másodpercenként.

ez együttesen azt jelentette, hogy a székletürítés időtartama sok állatfajban állandó – körülbelül 12 másodperc (plusz vagy mínusz 7 másodperc) – annak ellenére, hogy a térfogat nagymértékben változik. A haranggörbe eloszlását feltételezve az állatok 66% – ának 5-19 másodpercbe telik a székletürítés. Meglepően kicsi tartomány, tekintve, hogy az elefánt ürülékének térfogata 20 liter, közel ezerszer nagyobb, mint egy kutyáé, 10 milliliternél. Hogyan tudnak a nagy állatok ilyen nagy sebességgel üríteni?

a válasz, amit találtunk, a vastagbél falát bélelő ultravékony nyálkahártya tulajdonságaiban volt. A nyálkréteg olyan vékony, mint az emberi haj, olyan vékony, hogy csak a széklet mérésével tudjuk mérni, amikor a nyálka elpárolog. Annak ellenére, hogy vékony, a nyálka nagyon csúszós, több mint 100-szor kevésbé viszkózus, mint a széklet.

a székletürítés során a széklet úgy mozog, mint egy szilárd dugó. Ezért ideális körülmények között a széklet együttes hosszát és átmérőjét egyszerűen a végbél és a vastagbél alakja határozza meg. Vizsgálatunk egyik nagy eredménye az volt, hogy a széklet a vastagbél hosszának feléig terjed a végbéltől.

a pooping egységes elmélete

a széklet hosszát a nyálka tulajdonságaival együtt alkalmazva most van egy kohéziós fizikai történetünk arról, hogy a székletürítés hogyan történik. A nagyobb állatoknak hosszabb a székletük, de vastagabb a nyálkájuk is, ami lehetővé teszi számukra, hogy ugyanolyan nyomással nagy sebességet érjenek el. E nyálkréteg nélkül előfordulhat, hogy a székletürítés nem lehetséges. A nyálka változásai számos betegséghez hozzájárulhatnak, beleértve a krónikus székrekedést, sőt a baktériumok, például a C. difficile fertőzéseit is a gyomor-bél traktusban.

a tudományos kíváncsiságunk egyszerű követésén túl a széklet mérésének gyakorlati alkalmazásai is voltak. A székletürítési adataink segítettek egy felnőtt pelenka tervezésében az űrhajósok számára. Az űrhajósok hét napig akarnak űrruhában maradni, de pelenkájuk korlátozza őket. A széklet viszkozitását kihasználva olyan pelenkát terveztünk, amely elkülöníti a székletet a bőrrel való közvetlen érintkezéstől. Ez volt a NASA Space Poop Challenge elődöntője az év elején.

ez csak azt mutatja, hogy a fizika és a matematika mindenhol használható, még a WC-csészében is.

ez a cikk eredetileg a The Conversation oldalon jelent meg. Olvassa el az eredeti cikket.