以下文章經許可轉載自The Conversation，這是一個報道最新研究的線上出版物。
古代中國人 практикували 糞便占卜，即根據糞便的形狀、大小和質地來診斷健康狀況。埃及人、希臘人和幾乎所有古代文化也是如此。即使在今天，你的醫生也可能會問你上次排便是什麼時候，並要求你詳細描述它。
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當然，談論這個話題令人不舒服。但這就是科學的用武之地，因為我們不喜歡討論的東西仍然會造成危害。腸易激綜合徵、炎症性腸病、胃腸道感染和其他與糞便相關的疾病每年給美國人造成數十億美元的損失。
但是，試圖阻止這些問題並不是我們試圖弄清楚排便的一些物理學原理的主要動機。還有其他更險惡的東西。
從個人觀察到實驗室
當為人父母降臨時，它會猛烈地衝擊你。我們中的一位是一位職業父親，他透過學習一套新技能而生存下來，其中一項技能是糞便分析。多年的換尿布和隨後的如廁訓練使我從一個糞便分析新手變成了一個經驗豐富的鑑賞家。我的人生以一系列影像掠過：硬糞便顆粒像豌豆，長糞便像光滑的蛇，到一灘棕色的水。
與古人不同，我們不相信我們可以從兒童的糞便中預測未來。但我們確實認為值得嘗試瞭解所有這些形狀的來源。擁有一個實驗室來回答關於日常世界的問題是成為科學家的獨特樂趣之一。
作為流體動力學家，我們與結直腸外科醫生Daniel Chu以及兩位堅定的本科生Candice Kaminski和Morgan LaMarca合作，他們在亞特蘭大動物園拍攝了34種哺乳動物的排便過程並手工挑選了糞便，以便測量它們的密度和粘度。
我們瞭解到，大多數大象和其他草食動物產生“漂浮物”，而大多數老虎和其他肉食動物產生“沉澱物”。無意中，我們還對糞便的氣味進行了從最臭到最不臭的排名，從老虎和犀牛開始，一直到熊貓。動物園的各種動物為我們提供了各種糞便大小和形狀，這些大小和形狀可以作為獨立的證據來驗證我們關於排便持續時間的數學模型。
我們還將糞便放入一個叫做“流變儀”的裝置中，這是一種精密攪拌機，可以測量液體狀和固體狀材料的特性，如巧克力和洗髮水。我們的實驗室與佐治亞理工學院物理學家Alberto Fernandez-Nieves共享兩臺流變儀。從那時起，我們將流變儀分為“乾淨的流變儀”和“David Hu流變儀”——後者已經見證了大量的青蛙唾液、粘液和糞便。
速度的秘密
我們還學到了什麼？體型較大的動物糞便更長。而且體型較大的動物排便速度也更快。例如，大象的排便速度為每秒6釐米，幾乎是狗的六倍。人類的排便速度介於兩者之間：每秒2釐米。
總之，這意味著許多動物物種的排便持續時間是恆定的——大約12秒（正負7秒）——即使體積差異很大。假設呈鐘形曲線分佈，66%的動物排便時間在5到19秒之間。這是一個令人驚訝的小範圍，考慮到大象糞便的體積為20升，幾乎是狗糞便（10毫升）的1000倍。大型動物如何以如此高的速度排便？
我們發現，答案在於覆蓋大腸壁的超薄粘液層的特性。粘液層薄如人類頭髮，薄到我們只能透過稱量糞便蒸發時糞便的重量來測量它。儘管粘液層很薄，但它非常光滑，粘度比糞便低100多倍。
在排便過程中，糞便像固體塞子一樣移動。因此，在理想條件下，糞便的長度和直徑僅由直腸和大腸的形狀決定。我們研究的一大發現是，糞便從直腸向上延伸到結腸長度的一半。
關於排便的統一理論
將糞便的長度與粘液的特性結合起來，我們現在有了一個關於排便如何發生的連貫的物理學故事。體型較大的動物糞便更長，但粘液也更厚，使它們能夠在相同的壓力下實現更高的速度。沒有這種粘液層，排便可能是不可能的。粘液的改變可能導致多種疾病，包括慢性便秘，甚至包括艱難梭菌等細菌在胃腸道中的感染。
除了僅僅追隨我們的科學好奇心之外，我們對糞便的測量也產生了一些實際應用。我們的排便資料幫助我們為宇航員設計了成人尿布。宇航員想在宇航服中待七天，但受到尿布的限制。利用糞便的粘度，我們設計了一種尿布，可以將糞便與皮膚直接接觸隔離。它是今年早些時候半決賽入圍者在NASA太空便便挑戰賽中。
這恰恰表明，物理學和數學可以無處不在地使用，甚至在你的馬桶裡。
本文最初發表於The Conversation。閱讀原文。