Кошка ‒ действительно жидкость: физик доказал, что мемы не врут

Французский физик Марк-Антуан Фардин заинтересовался популярными интернет-мемами, в которых кошек называют жидкостью. Весной 2014 года он решил отвлечься от основной работы и научно изучить, почему наши пушистые друзья так искусно “просачиваются” через самые узкие щели и могут задремать в любой, даже самой маленькой картонной коробке. Эта шуточная работа неожиданно принесла ему Шнобелевскую премию по физике – награду за исследования, которые сначала вызывают смех, а потом заставляют задуматься.

"Я провожу время в интернете, разумеется, в исследовательских целях", – пошутил Фардин во время выступления на конференции TEDx в 2019 году. Однако за этим стоит серьезный научный подход, основанный на реологии – науке о текучести веществ.

В школе нас учат различать твердые тела и жидкости по тому, как в них расположены молекулы: в твердых телах они плотно прижаты друг к другу и не двигаются с места, а в жидкостях свободно перемещаются. Реология смотрит на это иначе: твердые тела не меняют ни объем, ни форму, а жидкости при постоянном объеме могут принять любую форму. И правда, кошки не становятся больше или меньше, зато легко помещаются в самые разные емкости – от тарелок-салатниц до раковин.

"Подождите достаточно долго, и все потечет – вот главное правило реологии", – говорит Фардин в своем выступлении . Даже твердый асфальт на склоне медленно ползет вниз – это заметно через несколько лет или десятилетий. Любое твердое тело изменит форму, если на него как следует надавить. А жидкости порой ведут себя как твердые тела: взять хотя бы кетчуп, который выходит из бутылки только после того, как ее потрясешь.

Чтобы понять, насколько вещество похоже на жидкость, ученые используют особую величину – число Дебры (De). Оно учитывает два показателя: время наблюдения (T) и время релаксации (τ) – то есть, как быстро вещество приспосабливается к новой форме. Вода мгновенно заполняет стакан, а мед растекается гораздо медленнее. Число Дебры – это отношение τ к T. Если оно меньше единицы, перед нами жидкость, если больше или равно – твердое тело.

То, как течет вещество, также во многом зависит от того, как долго за ним наблюдать. Чем дольше смотришь, тем меньше становится число Дебры и тем больше объект похож на жидкость. Даже горы, которые кажутся нам незыблемыми, за миллионы лет начинают течь. Само название "число Дебры" взяли из Ветхого Завета – из строчки "Горы растаяли перед Господом" в "Песни Деборы".

В своей статье 2014 года в журнале Rheology Bulletin Фардин подсчитал, что молодым взрослым кошкам нужно от секунды до минуты, чтобы растечься. Если питомец за пять секунд забирается в маленькую коробку, а наблюдение длится минуту, число Дебры получается 0,0833 – намного меньше единицы. А значит, кошка и правда ведет себя как жидкость с точки зрения физики.

Как кетчуп не вытечет из бутылки, пока не приложишь усилие, так и кошка не вытечет из коробки, пока ее что-то не подтолкнет. Эти пушистики стараются занять все доступное пространство. У них даже есть что-то похожее на поверхностное натяжение – это особенно заметно, когда они протискиваются через узкие щели.

Фардин хотел изучить и другие свойства кошачьей текучести – например, могут ли они создавать завихрения, как вода в бурной реке. Но тут возникла сложность: животные, к сожалению, относятся к "биологически активным материалам" – они сами решают, как им двигаться, и это мешает точным измерениям.

Биологи тоже могут объяснить, почему усатые так похожи на жидкость. В отличие от людей, у кошек очень подвижная ключица, а у некоторых она и вовсе отсутствует. Поэтому работает простое правило: куда пролезет голова, туда проскользнет и все тело.

Возраст и характер животного сильно влияют на то, как быстро оно растекается. Игривым котятам может потребоваться несколько часов, чтобы угомониться и принять форму своего уголка – они слишком много двигаются и все время меняют положение.

На то, как быстро кошка растечется, влияет и то, где она находится. На коленях у хозяина она мгновенно расслабляется, а в переноске по дороге к ветеринару может долго сохранять напряженную форму. В этом они тоже похожи на обычные жидкости: вода собирается каплями на тефлоне, но легко растекается по другим поверхностям. Всё зависит от случая.

"Нам еще многое предстоит изучить, но кошки уже показали себя отличным объектом для исследования текучести веществ", – пишет ученый в своей статье. И правда, его работа не только научно объяснила забавные интернет-картинки, но и помогла лучше понять, как определять физические свойства материалов в целом.