以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
古代中国人 практикували 粪便占卜，即根据粪便的形状、大小和质地来诊断健康状况。埃及人、希腊人和几乎所有古代文化也是如此。即使在今天，你的医生也可能会问你上次排便是什么时候，并要求你详细描述它。
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当然，谈论这个话题令人不舒服。但这就是科学的用武之地，因为我们不喜欢讨论的东西仍然会造成危害。肠易激综合征、炎症性肠病、胃肠道感染和其他与粪便相关的疾病每年给美国人造成数十亿美元的损失。
但是，试图阻止这些问题并不是我们试图弄清楚排便的一些物理学原理的主要动机。还有其他更险恶的东西。
从个人观察到实验室
当为人父母降临时，它会猛烈地冲击你。我们中的一位是一位职业父亲，他通过学习一套新技能而生存下来，其中一项技能是粪便分析。多年的换尿布和随后的如厕训练使我从一个粪便分析新手变成了一个经验丰富的鉴赏家。我的人生以一系列图像掠过：硬粪便颗粒像豌豆，长粪便像光滑的蛇，到一滩棕色的水。
与古人不同，我们不相信我们可以从儿童的粪便中预测未来。但我们确实认为值得尝试了解所有这些形状的来源。拥有一个实验室来回答关于日常世界的问题是成为科学家的独特乐趣之一。
作为流体动力学家，我们与结直肠外科医生Daniel Chu以及两位坚定的本科生Candice Kaminski和Morgan LaMarca合作，他们在亚特兰大动物园拍摄了34种哺乳动物的排便过程并手工挑选了粪便，以便测量它们的密度和粘度。
我们了解到，大多数大象和其他草食动物产生“漂浮物”，而大多数老虎和其他肉食动物产生“沉淀物”。无意中，我们还对粪便的气味进行了从最臭到最不臭的排名，从老虎和犀牛开始，一直到熊猫。动物园的各种动物为我们提供了各种粪便大小和形状，这些大小和形状可以作为独立的证据来验证我们关于排便持续时间的数学模型。
我们还将粪便放入一个叫做“流变仪”的装置中，这是一种精密搅拌机，可以测量液体状和固体状材料的特性，如巧克力和洗发水。我们的实验室与佐治亚理工学院物理学家Alberto Fernandez-Nieves共享两台流变仪。从那时起，我们将流变仪分为“干净的流变仪”和“David Hu流变仪”——后者已经见证了大量的青蛙唾液、粘液和粪便。
速度的秘密
我们还学到了什么？体型较大的动物粪便更长。而且体型较大的动物排便速度也更快。例如，大象的排便速度为每秒6厘米，几乎是狗的六倍。人类的排便速度介于两者之间：每秒2厘米。
总之，这意味着许多动物物种的排便持续时间是恒定的——大约12秒（正负7秒）——即使体积差异很大。假设呈钟形曲线分布，66%的动物排便时间在5到19秒之间。这是一个令人惊讶的小范围，考虑到大象粪便的体积为20升，几乎是狗粪便（10毫升）的1000倍。大型动物如何以如此高的速度排便？
我们发现，答案在于覆盖大肠壁的超薄粘液层的特性。粘液层薄如人类头发，薄到我们只能通过称量粪便蒸发时粪便的重量来测量它。尽管粘液层很薄，但它非常光滑，粘度比粪便低100多倍。
在排便过程中，粪便像固体塞子一样移动。因此，在理想条件下，粪便的长度和直径仅由直肠和大肠的形状决定。我们研究的一大发现是，粪便从直肠向上延伸到结肠长度的一半。
关于排便的统一理论
将粪便的长度与粘液的特性结合起来，我们现在有了一个关于排便如何发生的连贯的物理学故事。体型较大的动物粪便更长，但粘液也更厚，使它们能够在相同的压力下实现更高的速度。没有这种粘液层，排便可能是不可能的。粘液的改变可能导致多种疾病，包括慢性便秘，甚至包括艰难梭菌等细菌在胃肠道中的感染。
除了仅仅追随我们的科学好奇心之外，我们对粪便的测量也产生了一些实际应用。我们的排便数据帮助我们为宇航员设计了成人尿布。宇航员想在宇航服中待七天，但受到尿布的限制。利用粪便的粘度，我们设计了一种尿布，可以将粪便与皮肤直接接触隔离。它是今年早些时候半决赛入围者在NASA太空便便挑战赛中。
这恰恰表明，物理学和数学可以无处不在地使用，甚至在你的马桶里。
本文最初发表于The Conversation。阅读原文。