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严肃点,这是尿尿的流体力学

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Paradoxian 发表于  2014-06-27 14:50

都说人有三急,其实动物们也一样,尿意一来,便势不可挡。不过,它们嘘嘘起来也和我们一样吗?这听起来挺不严肃的,不过佐治亚理工大学机械工程学院偏偏有一帮科学家严肃地讨论了这个问题[1]——他们仔细观测了动物园里个头不同的哺乳动物的排尿过程,并认真地用流体力学探讨了其中的物理原理。结果发现,只要体重大于5千克,大部分哺乳动物的排尿时间都在21±13秒之间,并且基于伯努利原理,个头越大的哺乳动物,尿越会奔涌而出,而个头小的则更倾向于涓涓而流。这项严肃活泼的研究发表在美国《国家科学院院刊》上。

不同体型哺乳动物排尿时间相近,体型越大流速越高。上图中A是大象,B是牛,C是羊,D是狗,E则是大鼠。下图是各种哺乳动物的体重与小便时长间的关系。图片来源:Patricia J. Yang et al. (2014) PNAS.

研究小组首先去亚特兰大动物园观察了不同大小的哺乳动物们尿尿——它们的体重从0.03千克到8000千克不等,横跨了6个数量级。动物们膀胱的容积则差别更大:长鼻星人(大象,约18升)比喵星人(约5mL)大上了3600倍。研究者在观察的同时小心地拍下了视频,并进行了统计分析。结果显示,32种重于5千克的动物,它们的排尿时间均在21(±13)秒之间,与质量的0.13次方相关。当动物体重小于5千克,例如仓鼠、某些豚鼠,或者某些蝙蝠,尿液只能成滴的往外排,根本不能“嘘嘘”,排尿时间也更不规律。

随后,他们将排尿过程抽象成了物理模型,开始欢乐地进行理论推导和模拟。借助流体力学,他们不仅推算出膀胱排空时间应该与体重的1/6(约0.16)次方相关(与观测到的0.13相吻合),还得出“流式”和“滴式”排尿的动物们流速大小与尿道直径、膀胱容积,以及尿道长度之间的量化关系,这个中关系也与观察到的流速变化相符。更进一步地,他们推算出小动物们在“滴式”排尿时,尿滴的直径与尿道直径的1/3次方相关,再一次与实验室中的实际测量值吻合。除此之外,他们还探讨了雌性和雄性(雌性尿道更宽)排尿速度的差别,并也进行了实验验证,以佐证先前导出的公式。

研究中导出的物理模型公式及参数示意图。Pbladder是膀胱的压强;V是膀胱体积;L是尿道长度;g是重力加速度;ρ、μ、σ分别是尿液的体密度、线密度和点密度;D是尿道直径;α是校准有效横截面积的参数;Q是尿液流速;T则是排尿时间。图片来源:Patricia J. Yang et al. (2014) PNAS.

别以为这项研究只是理工宅的娱乐,它的意义大着呢:由于不能直接对人类做实验,许多泌尿医学的研究实际上以我们的哺乳动物近亲做研究对象,然而,此前没人说得清它们和我们到底有多像,研究结果又能否照搬。这项研究不仅有理有据地说明了相似性,还给出了量化的规律。不仅如此,研究者们还指出,生物体的这种设计能被仿生学借鉴,帮助设计出储水排水性能更优的流体力学元件,在其他领域发挥更大的作用。只要有科学的态度和善于发现的眼睛,没有什么登不了大雅之堂——要知道,生活处处有科学,哪怕是嘘嘘呢。(编辑:Calo)


来欣赏一下大象嘘嘘的场景吧。这头大象重3540千克,这是慢放33倍后的小便镜头。视频来源:Patricia J. Yang et al. (2014) PNAS.

参考文献:

  1. Patricia J. Yang et al. Duration of urination does not change with body size. (2014) PNAS. doi: 10.1073/pnas.1402289111

文章题图:io9.com

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全部评论(69)
  • 31楼
    2014-06-29 11:38 Ex-calibur

    一直认为“严肃活泼”是个让人精神分裂的词语组合,直到我看到这篇文章

    [0] 评论
  • 32楼
    2014-06-29 12:37 Paradoxian
    引用@微视角 的话:一直认为“严肃活泼”是个让人精神分裂的词语组合,直到我看到这篇文章

    这是个暴露年龄的词……

    [0] 评论
  • 33楼
    2014-06-29 13:30 找个恐龙生个蛋
    引用@Calo 的话:± 13真的有点大...咯

    确实是这样啊

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  • 34楼
    2014-06-29 13:35 lingbbs

    这里没有来自农村的吗,那里的公水牛至少有两分钟吧,母牛的时间倒是差不多,它可是从后面流下来的,没见到什么压强力。

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  • 35楼
    2014-06-29 15:21 Asname

    我刚刚话费了36秒见证了流体力学和 伯努利原理,我真棒!!!

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  • 36楼
    2014-06-29 15:53 weilile
    引用@lingbbs 的话:这里没有来自农村的吗,那里的公水牛至少有两分钟吧,母牛的时间倒是差不多,它可是从后面流下来的,没见到什么压强力。

    确实,牛和猪尿的时间都超长。

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  • 37楼
    2014-06-29 18:45 卡卡布石子

    (⊙o⊙)…,略屌呀

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  • 38楼
    2014-06-29 20:41 飛揚仰光

    谁测一下自己的时间,为科学献身呢??额哈哈哈哈哈!!!!

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  • 39楼
    2014-06-29 21:22 害死好多猫

    前两天文章还没出来呢,只是简介,果然文章内容更有份量

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  • 40楼
    2014-06-29 22:26 我是一个菠萝
    引用@张问号 的话:大象果然一肚子水啊,人类果然一肚子炸酱面啊......

    我贱贱的脑补了一下,不忍直视。。。。。。

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  • 41楼
    2014-06-29 22:52 举报狂魔香芋

    涓涓细流说给自己听……

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  • 42楼
    2014-06-30 09:20 Maisie兔子喵 全科医师

    在体重小的动物里,喵星人恐怕尿流速最高了吧?

    在娘亲家住的时候,半夜听女王大人嘘嘘声音超大的!压力特高那种。。。一般它尿完。。。我就也想上厕所了。。。

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  • 43楼
    2014-06-30 10:13 蓝博

    老子说,道在屎尿中!信然!

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  • 44楼
    2014-06-30 11:08 超爱索尼子

    竟然不打码!

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  • 45楼
    2014-06-30 15:14 张问号
    引用@我是一个菠萝 的话:我贱贱的脑补了一下,不忍直视。。。。。。

    哈哈哈哈

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  • 46楼
    2014-07-01 09:20 超爽的捡到一百块

    还真有人研究这个哦

    来自果壳精选

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  • 47楼
    2014-07-01 12:09 二项箔

    憋尿超过一定时间就不会喷涌而出了,而是涓涓细流

    来自果壳精选

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  • 48楼
    2014-07-01 17:10 Lebrott

    。。。最后视频丧心病狂

    来自果壳精选

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  • 49楼
    2014-07-01 23:32 ONE_Fox_19546

    正负13秒,呵呵

    来自果壳精选

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  • 50楼
    2014-07-06 09:33 青春不甘寂寞

    科学的内涵真广,什么都能拿来研究

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  • 51楼
    2014-07-07 20:44 jksoap

    我们亲爱的便便呢? 为毛不研究便便!!!

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  • 52楼
    2014-07-31 10:50 Ex-calibur
    引用@Paradoxian 的话:这是个暴露年龄的词……
    怎么暴露年龄了- -


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  • 53楼
    2014-07-31 11:32 Paradoxian
    引用@微视角 的话:

    不知道由来的一般是年轻人……

    “团结紧张严肃活泼”最开始是毛题的,八十年代之前经常被刷在墙上当标语,或者放在XX行为守则里

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  • 54楼
    2014-08-16 19:44 贪婪之龙-肯格拉德
    引用文章内容:要知道,生活处处有科学,哪怕是嘘嘘呢

    0w0有科学~

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  • 55楼
    2014-08-17 08:53 石户霞

    好厉害的样子

    来自山寨果壳.wp
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  • 56楼
    2014-10-18 10:11 hellomomo

    人应该咋尿

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  • 57楼
    2014-10-18 11:31 夜过于寂寞

    有时有的基础研究给人的感觉就是:闲得蛋痛

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  • 58楼
    2014-10-18 16:41 减八

    研究够深入了

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  • 59楼
    2014-11-10 19:49 小叶子灬
    引用文章内容:化的规律。

    醉了

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  • 60楼
    2014-11-20 14:11 我自飞扬_已被使用

    21±13不知道符不符合统计学要求。。。。

    感觉很不科学的样子 就像统计收入一样 人均收入20000±19000.。。。

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