the Physics of Poop

poniższy esej został przedrukowany za zgodą the Conversation, publikacji online obejmującej najnowsze badania.

starożytni Chińczycy praktykowali kopromancję, diagnozę zdrowia na podstawie kształtu, wielkości i tekstury kału. Tak jak Egipcjanie, Grecy i prawie każda starożytna kultura. Nawet dzisiaj, lekarz może zapytać, kiedy ostatnio miał wypróżnienia i opisać go w najdrobniejszych szczegółach.

jasne, to niewygodne. Ale tu pojawia się nauka, bo to, o czym nie lubimy dyskutować, wciąż może wyrządzić krzywdę. Zespół jelita drażliwego, choroby zapalne jelit, infekcje żołądkowo-jelitowe i inne dolegliwości związane z kupą kosztują Amerykanów miliardy dolarów rocznie.

ale próba powstrzymania tych problemów nie była naszą główną motywacją do prób rozgryzienia części fizyki defekacji. To było coś innego, o wiele bardziej złowrogiego.

z osobistej obserwacji, do laboratorium

kiedy rodzic uderza, uderza mocno. Jeden z nas jest pracującym tatą, który przeżył, ucząc się nowego zestawu umiejętności, z których jedną była analiza kału. Lata zmian w pieluchach, a potem treningi na nocnik zmieniły mnie z nowicjusza analizy Kup w wizened konesera. Moje życie mija w serii obrazów: twarde odchody granulki jak groszek do długich odchodów jak gładki wąż do kałuży brązowej wody.

w przeciwieństwie do starożytnych, nie wierzyliśmy, że możemy przewidzieć przyszłość z dziecięcego stolca. Ale uznaliśmy, że warto spróbować zrozumieć, skąd biorą się te wszystkie kształty. Posiadanie laboratorium, aby odpowiedzieć na pytania dotyczące codziennego świata jest jedną z wyraźnych przyjemności bycia naukowcem.

jako dynamicy płynów, połączyliśmy siły z chirurgiem jelita grubego Danielem Chu i dwoma twardymi studentami, Candice Kaminski i Morganem Lamarcą, którzy sfilmowali defekację i ręcznie zbierane odchody 34 gatunków ssaków w Zoo Atlanta, aby zmierzyć ich gęstość i lepkość.

dowiedzieliśmy się, że większość słoni i innych roślinożerców tworzy „pływaki”, podczas gdy większość tygrysów i innych mięsożerców tworzy „Obciążniki.”Nieumyślnie uszeregowaliśmy odchody od najbardziej do najmniej śmierdzących, zaczynając od tygrysa i nosorożca, a kończąc na Pandzie. Różnorodność zwierząt w zoo dostarczyła nam szeregu rozmiarów i kształtów kału, które służyły jako niezależne dowody potwierdzające nasz matematyczny model czasu trwania defekacji.

umieściliśmy również kał w urządzeniu zwanym „reometrem”, precyzyjnym mikserze, który może mierzyć właściwości materiałów płynnych i stałych, takich jak czekolada i szampon. Nasze laboratorium dzieli dwa reometry z fizykiem z Georgii Alberto Fernandez-Nieves. Od tego czasu sklasyfikowaliśmy reometry jako „czysty reometr” i „Reometr Davida Hu” – w którym odnotowano znaczny udział śliny, śluzu i odchodów żab.

tajemnica prędkości

czego jeszcze się nauczyliśmy? Większe zwierzęta mają dłuższe odchody. Większe zwierzęta również wypróżniają się z większą prędkością. Na przykład słoń wypróżnia się z prędkością sześciu centymetrów na sekundę, prawie sześć razy szybciej niż pies. Szybkość defekacji u ludzi jest pomiędzy: dwa centymetry na sekundę.

łącznie oznacza to, że czas defekacji jest stały dla wielu gatunków zwierząt – około 12 sekund (plus lub minus 7 sekund) – nawet jeśli objętość jest bardzo zróżnicowana. Zakładając rozkład krzywej Dzwonkowej, 66 procent zwierząt potrzebuje od 5 do 19 sekund, aby wypróżnić się. To zaskakująco mały zakres, biorąc pod uwagę, że odchody słoni mają objętość 20 litrów, prawie tysiąc razy większą niż u psa, przy 10 mililitrach. Jak duże zwierzęta mogą wypróżniać się z tak dużą prędkością?

odpowiedź, którą znaleźliśmy, dotyczyła właściwości ultra cienkiej warstwy śluzu wyściełającego ściany jelita grubego. Warstwa śluzu jest tak cienka jak ludzkie włosy, tak cienka, że możemy ją zmierzyć tylko przez ważenie kału, gdy śluz wyparował. Mimo że jest cienki, śluz jest bardzo śliski, ponad 100 razy mniej lepki niż kał.

podczas wypróżniania kał porusza się jak solidna wtyczka. Dlatego w idealnych warunkach Łączna długość i średnica kału zależy po prostu od kształtu odbytnicy i jelita grubego. Jednym z dużych wniosków z naszych badań było to, że kał rozciąga się w połowie długości jelita grubego od odbytnicy.

ujednolicona teoria kupowania

łącząc długość odchodów z właściwościami śluzu, mamy teraz spójną historię fizyki dotyczącą tego, jak dochodzi do wypróżnienia. Większe zwierzęta mają dłuższe odchody, ale także grubszy śluz, co umożliwia im osiąganie dużych prędkości przy tym samym ciśnieniu. Bez tej warstwy śluzu wypróżnienie może nie być możliwe. Zmiany w śluzie może przyczynić się do kilku dolegliwości, w tym przewlekłe zaparcia, a nawet infekcje przez bakterie, takie jak C. difficile w przewodzie pokarmowym.

poza naszą naukową ciekawością, nasze pomiary kału miały również praktyczne zastosowania. Nasze dane o defekacji pomogły nam zaprojektować pieluchę dla dorosłych astronautów. Astronauci chcą pozostać w skafandrach kosmicznych przez siedem dni, ale są ograniczeni przez pieluchy. Korzystając z lepkości kału, zaprojektowaliśmy pieluchę, która segreguje kał z dala od bezpośredniego kontaktu ze skórą. Na początku tego roku był półfinalistą NASA Space Poop Challenge.

to po prostu pokazuje, że fizyka i matematyka mogą być używane wszędzie, nawet w muszli klozetowej.

Przeczytaj oryginalny artykuł.