A cat’s bladder can only store a golf ball’s worth of urine. For humans, it’s a coffee mug and for elephants, a kitchen trash can. An elephant’s bladder is 400 times the size of a cat’s, but it doesn’t take an elephant 400 times longer to pee. So, how does this work?
Мочевой пузырь кошки вмещает объём мочи размером с мяч для гольфа. У людей — это кофейная кружка, а у слонов — кухонное мусорное ведро. Мочевой пузырь слона в 400 раз больше, чем у кошки, но слону не требуется в 400 раз больше времени справить малую нужду. Почему же это так?
The answer lies in what scientists call the “Other Golden Rule.” It applies to mammals, which pee out some of their wastes in a yellowy liquid. Other classes of animals use different systems and methods to excrete waste. The Rule describes how urinary organs and forces change with body size, enabling a range of mammals to achieve similarly rapid relief.
Ответ кроется в том, что учёные назвали «новым золотым правилом физики». Оно касается млекопитающих, выводящих часть отходов в виде желтоватой жидкости. Остальные виды животных используют другие системы и методы для удаления отходов. Правило объясняет, как органы мочеиспускания и физические силы изменяются с размером тела, из-за чего млекопитающие достигают одинаково быстрого облегчения.
There are two main factors contributing to urination speed: bladder pressure and gravity. Bladder pressure is created when mammals contract their muscles to squeeze urine out. This pressure is equal to the applied muscular force per unit area but, since these factors scale proportionally, bladder pressure doesn’t actually change much depending on body size. Meanwhile, the effects of gravity do vary across species.
На скорость мочеиспускания влияют два основных фактора: давление в мочевом пузыре и сила тяжести. Давление в мочевом пузыре создаётся, когда млекопитающие сокращают мышцы, чтобы опорожнить мочу. Это давление равно приложенной мышечной силе на единицу площади, но, поскольку эти факторы масштабируются пропорционально, давление в мочевом пузыре на самом деле не сильно зависит от размера тела. Между тем, гравитация действительно влияет на разные виды по-разному.
Mammals have a pipe-like organ called the urethra that transports urine from a higher elevation to a lower one— specifically, from the bladder down to where urine exits the body. In doing so, the urethra harnesses the power of Torricelli’s Law, which states that flow rate increases with container height. Take these two containers holding the same volume of liquid. When identically punctured at the bottom, the vertical container drains nearly twice as fast. This is because the water’s falling from a greater elevation difference. By transporting urine from high to low, the urethra has a similar effect. The urethra is probably not perfectly vertical, so its length doesn’t tell us exactly how far the urine falls. However, it’s a good approximation. The urethra’s diameter also affects flow rate. When that vertical container’s exit hole has a larger diameter, the water drains out even faster.
У млекопитающих есть напоминающий трубку орган, который называется уретрой. Он переносит мочу сверху вниз, а именно — от мочевого пузыря до мочевыводящего отверстия. При этом в уретре сила измеряется по формуле Торричелли, согласно которой скорость потока растёт по мере увеличения высоты контейнера. Возьмём эти два контейнера с одинаковым объёмом жидкости. Имея одинаковые выпускные отверстия, вертикальный контейнер опорожняется почти в два раза быстрее. Всё потому, что вода падает с бо́льшей высоты. В уретре моча перемещается сверху вниз, и поэтому в ней наблюдается схожий эффект. Уретра не является строго вертикальной, поэтому по длине нельзя точно определить, с какой высоты спускается моча, однако этот метод даёт хорошее приблизительное значение. На скорость потока влияет и диаметр уретры. Когда выходное отверстие вертикального контейнера имеет бо́льший диаметр, вода вытекает ещё быстрее.
The length and diameter of an animal’s urethra varies depending on its species and whether it has a penis or vagina. For example, a female elephant has a meter-long urethra with a thirty-five millimeter diameter. A person with a vagina has a urethra that is more than 20 times shorter and 5 times thinner. The elephant’s longer, wider urethra is what allows it to urinate for a comparable amount of time as a human. Indeed, if an elephant had the urethra of a housecat, it might take it about 2 hours to drain its bladder.
Длина и диаметр уретры у животных разнятся в зависимости от вида и пола. Например, у самки слона длина уретры составляет почти метр, а диаметр — тридцать пять миллиметров. У женщины уретра более чем в 20 раз короче и в 5 раз тоньше. Более длинная и широкая уретра у слона позволяет животному мочиться за примерно то же время, что и человеку. Действительно, будь у слона уретра домашней кошки, опорожнение мочевого пузыря могло бы занять около двух часов!
It’s hypothesized that the Other Golden Rule is conserved because quicker pees may both reduce vulnerability to predators and flush out disease-causing pathogens. But the Rule has limitations. It’s only been shown to apply to non-aquatic mammals. And the Rule doesn’t apply to mammals under three kilograms. They actually pee in droplets, not continuous streams, because surface tension breaks up their tiny jets of urine.
Есть версия, что новое золотое правило действует ещё потому, что быстрое мочеиспускание, скорее всего, снижает уязвимость для хищников и быстрее удаляет болезнетворные патогены. Но у правила есть ограничения. Оказалось, что оно применимо только для сухопутных млекопитающих. И не распространяется на млекопитающих весом менее трёх килограммов. Оказывается, что они писают каплями, то есть прерывисто, потому что образованию тонких струй мочи препятствует поверхностное натяжение.
Even within non-aquatic mammals above three kilograms, different behaviors disrupt the Other Golden Rule. Male dogs don’t always fully empty their bladders and will instead tinkle in short spurts to mark their territory. Male pandas sometimes pee in handstands, marking bark higher up on trees in order to broadcast their scent to potential mates. Handstand pees take longer because urine must work against gravity. Underwater pees are also lengthier because the external water pressure counteracts the internal forces resulting from elevation difference. Whether it’s with the intensity of a fire hydrant or a squirt gun, this system swiftly delivers our urine to the outside world.
Даже у сухопутных млекопитающих весом более трех килограммов новое золотое правило физики нарушается различными моделями поведения. Кобели не всегда полностью опустошают мочевой пузырь, а пускают короткие струйки, чтобы пометить территорию. Самцы панды становятся на передние лапы и писают стоя, помечая повыше кору, чтобы подать запахом сигналы потенциальным партнёршам. Мочиться в такой позе приходится дольше из-за противодействия силе гравитации. Мочеиспускание под водой также занимает больше времени, потому что внешнее давление воды противодействует внутренним силам, вызванным перепадом высот. Будь то интенсивность пожарного гидранта или побрызгивание струйного пистолетика, эта система быстро выводит мочу из организма во внешний мир.