De gamle kinesere praktiserede copromancy, diagnosen af sundhed baseret på form, størrelse og struktur af fæces. Det gjorde egypterne, grækerne og næsten enhver gammel kultur. Selv i dag kan din læge spørge, hvornår du sidst havde en tarmbevægelse og beskrive den i udsøgt detalje.
Relateret indhold
- Hvor stressede er zebras? Bare spørg deres poppe
- A Penguin Colony's Rise and Fall, indspillet i Poop
- Gut Check: Mandrills Sniff Poop for at undgå peers med parasitter
- Hvorfor 10 daglige tonsvis af ant Poop holder denne regnskov blomstrende
Ja, 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. Irritabelt tarmsyndrom, inflammatorisk tarmsygdom, gastrointestinale infektioner og andre bæverelaterede lidelser koster amerikanere milliarder af dollars årligt.
Men at prøve at dæmme op for disse problemer var ikke vores hovedmotivation for at prøve at finde ud af noget af defekationens fysik. Det var noget andet, meget mere uhyggeligt.
Fra personlig observation til laboratoriet
Når forældreskabet rammer, rammer det hårdt. En af os er en arbejdende far, der overlevede ved at lære et nyt sæt færdigheder, hvoraf den ene var fekal analyse. År med bleieskift og derefter pottetræning gjorde mig fra en poo-analyse begynder til en vidunderlig kenderen. Mit liv går forbi i en række billeder: hårde fæces pellets som ærter til lange fæces som en glat slange til en pøl med brunt vand.
I modsætning til de gamle troede vi ikke, at vi kunne forudsige fremtiden fra børnenes afføring. Men vi troede, det var værd at prøve at forstå, hvor alle disse former kommer fra. At have et laboratorium til at besvare spørgsmål om den daglige verden er en af de tydelige fornøjelser ved at være videnskabsmand.
Som flydende dynamikere gik vi sammen med kolorektal kirurg Daniel Chu og to fornemme kandidater, Candice Kaminski og Morgan LaMarca, der filmet defækation og håndplukket fæces fra 34 pattedyrarter i Zoo Atlanta for at måle deres tæthed og viskositet.
Vi lærte, at de fleste elefanter og andre planteetere skaber "flydere", mens de fleste tigre og andre kødædende skaber "synke". Uforvarende rangerede vi også fæces fra mest til mindst ildelugtende, startende med tiger og næsehorn og gå helt til panda. Zooens mange forskellige dyr forsynede os med en række fækale størrelser og former, der tjente som uafhængige beviser for at validere vores matematiske model for defekationens varighed.
Vi placerede også afføring i en enhed kaldet et "rheometer", en præcisionsblender, der kan måle egenskaberne af væskeformige og fastlignende materialer som chokolade og shampoo. Vores laboratorium deler to rheometre med Georgia Tech-fysiker Alberto Fernandez-Nieves. Vi har siden kategoriseret rheometrene som det "rene rheometer" og "David Hu rheometer" - som har set sin retmæssige andel af frosksaliven, slim og fæces.
Hemmeligheden bag hastigheden
Hvad lærte vi ellers? Større dyr har længere afføring. Og større dyr affekterer også med højere hastighed. F.eks. Affekter en elefant med en hastighed på seks centimeter i sekundet, næsten seks gange så hurtigt som en hund. Hurtigheden af defækation for mennesker er mellem: to centimeter per sekund.
Forholdet mellem kropsmasse M og defekationstid. Symboler repræsenterer eksperimentelle målinger; stiplet linje repræsenterer den bedste pasform til dataene; hel linje repræsenterer den teoretiske forudsigelse. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Tilsammen betød dette, at defekationens varighed er konstant på tværs af mange dyrearter - omkring 12 sekunder (plus eller minus 7 sekunder) - selvom volumen varierer meget. Forudsat at det er en klokkekurvedistribution, tager 66 procent af dyrene mellem 5 og 19 sekunder at defecere. Det er en overraskende lille rækkevidde, i betragtning af at elefantfæk har et volumen på 20 liter, næsten tusind gange mere end en hund, på 10 ml. Hvordan kan store dyr affædere i så høj hastighed?
Slim på overfladen af rotteafføring skinner ved t = 0 og fordamper på mindre end 30 sekunder. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Vi fandt, at svaret lå i egenskaberne ved et ultratyndt lag med slim, der forede tarmtarmens vægge. Slimlaget er så tyndt som menneskehår, så tyndt, at vi kun kunne måle det ved at veje afføring, når slimet fordampede. På trods af at være tyndt er slimet meget glat, mere end 100 gange mindre tyktflydende end fæces.
Under defækation bevæger fæces sig som et solidt stik. Under ideelle forhold bestemmes derfor den kombinerede længde og diameter på fæces simpelthen af formen på ens rektum og tyktarmen. Et af de store fund i vores undersøgelse var, at afføring strækker sig halvvejs op langs tyktarmen fra endetarmen.
En samlet poorie-teori
Når vi lægger længden af afføring sammen med egenskaberne ved slim, har vi nu en sammenhængende fysikshistorie for, hvordan defekation sker. Større dyr har længere afføring, men også tykkere slim, så de kan opnå høje hastigheder med det samme tryk. Uden dette slimlag er defækation muligvis ikke mulig. Ændringer i slim kan bidrage til adskillige lidelser, herunder kronisk forstoppelse og endda infektioner med bakterier såsom C. difficile i mave-tarmkanalen.
Ud over blot at følge vores videnskabelige nysgerrighed, har vores målinger af afføring også haft nogle praktiske anvendelser. Vores defekationsdata 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 afføringens viskositet designede vi en ble, der adskiller fæces væk fra direkte kontakt med huden. Det var en semifinalist i NASA Space Poop Challenge tidligere på året.
Det viser bare, at fysik og matematik kan bruges overalt, også i din toiletskål.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
David Hu, lektor i maskinteknik og biologi, adjunkt lektor i fysik, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Studerende i maskinteknik, Georgia Institute of Technology
