Фигуристы и кошки используют один и тот же принцип. Только фигуристам нужны годы тренировок, а котики рождаются с этим навыком. Источник изображения: scientificamerican.com
В 2018 году в Нью-Йорке кошка выпала из окна квартиры на 32-м этаже и приземлилась на жесткий асфальт. Два дня у ветеринара, лечение сломанных зубов и поврежденного легкого и животное вернулось домой живым. Истории вроде этой породили разговоры про девять жизней у кошек, но на самом деле секрет кошачьей живучести кроется не в мистике, а в чистой физике. И разгадка оказалась куда элегантнее, чем можно было представить.
Удивительно, но ученых сначала поразили не падения кошек с огромной высоты. В конце 19 века физиков поставили в тупик фотографии, на которых кошка, отпущенная спиной вниз, каким-то образом переворачивалась в воздухе и приземлялась на все четыре лапы. На снимках того времени видно, что человек держит кошку за лапы спиной к земле, отпускает и животное, которое только что висело вверх ногами, за доли секунды совершает поворот.
Проблема в том, что это противоречило фундаментальному закону физики закону сохранения углового момента. Проще говоря, объект, который не вращается, не может вдруг начать крутиться без внешнего воздействия. Раньше считалось, что кошки просто отталкиваются от поверхности, с которой падают, и получают начальный импульс вращения. Но фотографии ясно показывали: никакого толчка нет. Кошка падает ровно, а потом бац, и уже развернута лапами вниз.
Этой загадкой занимался даже Джеймс Клерк Максвелл тот самый физик, который описал электромагнитные волны. Он проводил эксперименты, сбрасывая кошек с разной высоты на кровати и столы. Но полностью решить проблему падающей кошки удалось лишь в 1969 году.
Именно эти фотографии конца 19 века сломали мозг целому поколению физиков. И неудивительно кошка буквально нарушала законы природы на камеру. Источник изображения: scientificamerican.com
Оказалось, что ученые слишком упрощали модель кошачьего тела. Они представляли его как единый цилиндр, который необъяснимо начинает вращаться. Но если присмотреться внимательнее, становится понятно: верхняя и нижняя части тела кошки вращаются в противоположных направлениях. Это похоже на перцемолку верхняя половинка крутится в одну сторону, нижняя в другую. Суммарный угловой момент остается нулевым, и закон сохранения не нарушается.
Но как кошка умудряется при этом приземлиться на лапы, а не просто бесконечно крутить половинками тела туда-сюда? Дело в том, что животное использует тот же трюк, что и фигуристы на льду. Кошка прижимает передние лапы к телу, уменьшая момент инерции верхней части. Благодаря этому торс поворачивается быстро и на большой угол. Задние лапы в это время, наоборот, вытянуты их момент инерции максимален, и поэтому нижняя часть тела поворачивается в противоположную сторону совсем немного.
Когда верхняя часть уже смотрит в нужном направлении (головой вверх), кошка меняет тактику: вытягивает передние лапы, поджимает задние и повторяет перцемольное движение в обратную сторону. Теперь и задние лапы оказываются внизу. Все это возможно благодаря невероятно гибкому позвоночнику кошек, в котором более 50 позвонков. Именно эта гибкость позволяет двум половинам тела работать практически независимо друг от друга.
У кошек более 50 позвонков, в то время как у человека их 33. Источник изображения: courses.lumenlearning.com
Раз кошки так ловко переворачиваются, значит ли это, что падение с любой высоты им нипочем? Не совсем. В 1987 году ветеринары из Нью-Йорка провели исследование, изучив 132 случая падения кошек с высотных зданий. Результаты оказались парадоксальными: выживаемость кошек действительно была на удивление высокой, но травмы зависели от высоты не так, как можно было бы предположить.
Кошкам нужно около 0,3 секунды, чтобы полностью развернуться в воздухе. Это соответствует примерно полутора метрам свободного падения. С меньшей высоты животное может просто не успеть завершить маневр. А вот дальше начинается самое интересное: при падении с очень большой высоты кошка достигает так называемой терминальной скорости около 100 км/ч. Для сравнения, у человека эта скорость почти вдвое выше около 200 км/ч. Небольшая масса тела и относительно большая площадь поверхности работают как естественный парашют.
Но есть нюанс. Некоторые исследователи заметили, что при достижении терминальной скорости кошки перестают напрягаться, расслабляют тело и расставляют лапы в стороны примерно как белка-летяга. Это помогает распределить удар при приземлении. Впрочем, ветеринары предупреждают: выживание не означает отсутствие травм. Переломы, повреждения легких и челюстей обычное дело даже для самых удачливых парашютистов.
Итог: Самым опасным считается диапазон от
2 до 6 этажей, где животное может не успеть правильно
сгруппироваться для приземления.
Казалось бы, ну перевернулась кошка в воздухе и что с того? На самом деле проблема падающей кошки оказалась невероятно плодотворной для науки. Механизм переворота, который используют кошки, нашел применение в робототехнике и космической инженерии. Инженеры проектируют роботов, способных стабилизироваться при падении, используя тот же принцип перцемолки вращение разных частей корпуса в противоположных направлениях.
Современные роботы учатся падать по-кошачьи. Правда, пока без мурчания после приземления
Еще более неожиданная связь обнаружилась с ориентацией спутников в космосе. Космические аппараты иногда используют схожий метод для изменения своего положения без расхода топлива перераспределяя угловой момент между вращающимися частями конструкции. По сути, космический телескоп и домашний кот решают одну и ту же физическую задачу.
Присоединяйтесь к нам в Telegram!
Математически проблему описывают с помощью дифференциальной геометрии того же раздела математики, который используется в общей теории относительности Эйнштейна. Движение кошки в пространстве описывается так называемым геометрическим фазовым сдвигом тело совершает цикл внутренних движений и возвращается к исходной конфигурации, но при этом оказывается повернутым. Это чистая элегантность природы, выраженная на языке математики.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
