Cairan secara tradisional didefinisikan sebagai benda yang menyesuaikan bentuk dengan wadah yang menampungnya. Dan dalam kondisi tertentu, tampaknya kucing sesuai dengan definisi ini.
Pengamatan yang agak paradoksal ini muncul di web beberapa tahun lalu dan menambah daftar panjang meme internet yang melibatkan teman-teman bangsa kucing kita. Ketika pertama kali bertemu pertanyaan ini saya tertawa, lalu berpikir. Saya memutuskan untuk merumuskannya kembali untuk menjelaskan beberapa persoalan seputar reologi, studi tentang deformasi dan aliran materi. Studi saya tentang reologi kucing memenangkan Hadiah Ig Nobel 2017 untuk bidang Fisika.
Hadiah itu diberikan setiap tahun oleh Improbable Research, sebuah organisasi yang didedikasikan untuk sains dan humor. Tujuannya adalah menyoroti kajian-kajian ilmiah yang membuat orang tertawa, lalu berpikir. Sebuah upacara diselenggarakan setiap tahun di Universitas Harvard.
Apakah cairan itu?
Inti dari definisi cairan adalah aksi: Sebuah benda harus mampu memodifikasi bentuknya agar sesuai dalam suatu wadah. Aksi ini juga harus memiliki sebuah ciri khas durasi. Dalam reologi ini disebut “waktu relaksasi”. Menentukan apakah sesuatu itu cair bergantung pada apakah ia diamati selama satu periode waktu yang lebih pendek atau lebih panjang dari waktu relaksasi.
Baca juga: Bertemu dinosaurus raksasa yang menghuni Afrika selatan 200 juta tahun yang lalu
Ambil kucing sebagai contoh. Kucing bisa menyesuaikan bentuknya dalam wadah kalau kita memberinya cukup waktu. Dengan demikian kucing adalah cair jika kita memberinya waktu untuk menjadi cairan. Dalam reologi, keadaan sebuah benda bukan merupakan suatu sifat yang benar-benar tetap—apa yang harus diukur adalah waktu relaksasi. Bagaimana nilainya dan tergantung pada apa? Misalnya, apakah waktu relaksasi seekor kucing bervariasi tergantung umurnya? (Dalam reologi kita berbicara tentang tiksotropi.)
Dapatkah jenis wadah mempengaruhi? (Dalam reologi ini dipelajari menyangkut permasalahan “pembasahan”.) Ataukah ia bervariasi menurut tingkat tekanan kucing? (Orang menyebut “gesek kental” (shear thickening) jika waktu relaksasi bertambah dengan tekanan, atau “gesek encer” (shear thinning) jika sebaliknya yang terjadi.) Tentu saja, tekanan yang kita maksud di sini adalah tekanan dalam pengertian mekanis, bukan emosional, tetapi kedua makna ini bisa bertumpang tindih dalam beberapa kasus.
‘Bilangan Debora’ dan aliran gunung-gunung
Kucing menunjukkan dengan gamblang bahwa penentuan keadaan suatu benda menghendaki pembandingan dua periode waktu: waktu relaksasi dan waktu eksperimental, yaitu waktu yang diperlukan sejak permulaan deformasi yang dimulai oleh wadah. Misalnya, bisa jadi itulah waktu yang berlalu sejak kucing melangkah memasuki wastafel. Secara konvensional, orang membagi waktu relaksasi dengan waktu eksperimental, dan jika hasilnya lebih dari 1, benda itu relatif padat; jika hasilnya lebih rendah dari 1, benda itu relatif cair.
Ini disebut sebagai Bilangan Debora, menurut nabi perempuan dalam kitab suci yang mengatakan bahwa dalam skala waktu geologis (“di hadapan Tuhan”) bahkan gunung-gunung pun mengalir. Dalam skala waktu lebih pendek orang bisa bisa melihat gletser maju perlahan-lahan mengaliri lembah.
Sekalipun waktu relaksasinya sangat besar (berhari-hari, bertahun-tahun), perilakunya bisa saja dinilai sebagai perilaku cairan jika bilangan Debora kecil (dibandingkan 1). Sebaliknya, sekali pun waktu relaksasinya sangat kecil (milidetik), perilakunya bisa saja adalah perilaku benda padat jika bilangan Debora besar (dibandingkan 1). Inilah yang terjadi jika orang mengamati sebuah balon air pada saat pecahnya.
Bilangan Debora adalah contoh bilangan tanpa dimensi: Karena kita membagi satu periode waktu dengan periode waktu lainnya, rasionya tidak memiliki unit apa pun. Dalam reologi, dan dalam sains secara lebih umum, ada banyak bilangan tanpa dimensi yang bisa digunakan untuk menentukan keadaan atau karakteristik suatu benda atau sistem.
Mengukur kecepatan adonan kue
Untuk cairan ada bilangan tanpa dimensi lain yang bisa digunakan untuk memperkirakan apakah aliran akan menjadi turbulen, dengan pusaran, atau apakah ia akan mengikuti dengan tenang garis bentuk wadah (kita katakan aliran itu laminar).
Jika kecepatan aliran adalah V dan wadah memiliki ukuran tipikal h tegak lurus untuk aliran, maka kita bisa menentukan gradien velositas V/h. Kebalikan gradien velositas inilah yang diukur sebagai sebuah waktu.
Membandingkan durasi ini dan waktu relaksasi menghasilkan bilangan Reynolds apabila fluida didominasi oleh inersia (seperti air), atau bilangan Weissenberg jika fluida didominasi oleh elastisitas (seperti adonan kue). Jika bilangan-bilangan tanpa dimensi ini lebih besar dibandingkan 1, maka aliran tampaknya akan bersifat turbulen. Jika bilangan itu kecil dibanding 1 aliran tampaknya akan laminar.
Mengajukan pertanyaan apakah kucing itu cairan memungkinkan saya menjelaskan kegunaan bilangan-bilangan tanpa dimensi itu dalam reologi. Saya harap ini akan membuat orang tertawa, lalu berpikir.