Четыре гипотезы
Почему падающие кошки всегда приземляются на лапы? Ученые спорят о точном механизме этого явления уже очень давно — по меньшей мере, с 1700 года, когда были документально зафиксированы первые эксперименты.
Долгое время физики считали, что кошка в свободном падении не способна перевернуться. Именно поэтому знаменитые снимки французского физиолога Этьена-Жюля Маре, сделанные еще в 1894 году, произвели эффект разорвавшейся бомбы. На них падающая кошка четко приземлялась на лапы каждый раз, опровергая все известные законы физики, как казалось современникам.
На самом деле, как объяснил ученый Грег Гбур из университета Северной Каролины в Шарлотте, кошка — не твердое тело, а сложный живой организм. Ее движения нельзя описать простыми математическими уравнениями. За века ученые предложили четыре основных объяснения.
Согласно первой гипотезе, кошка использует асимметричное движение лап, чтобы инициировать вращение. В начале падения она подтягивает передние лапы к голове, одновременно вытягивая задние. Это смещает центр тяжести и создает вращательный импульс в передней части тела. Затем, когда голова и плечи уже развернуты в нужном направлении, кошка вновь меняет положение — вытягивает передние лапы и подтягивает задние, заставляя вращаться уже заднюю половину.
Модель «падающего фигуриста» предложил знаменитый физик Джеймс Клерк Максвелл, и она основана на принципе, знакомом каждому, кто видел выступления фигуристов. Если спортсмен прижимает руки к телу, он начинает вращаться быстрее, если разводит в стороны — вращение замедляется. Кошка делает нечто похожее: изменяя момент инерции своего тела за счет вытягивания или подтягивания лап и хвоста, она может контролировать скорость и направление вращения.
Модель «изгиба и скручивания» долгое время считалась основной. Согласно ей, кошка сгибает позвоночник в пояснице под прямым углом, разделяя тело на две независимые вращающиеся половины — переднюю и заднюю. Затем она вращает одну половину в одну сторону, а другую — в противоположную, как два соединенных шарниром стержня. Это позволяет компенсировать вращение разных частей тела и в итоге выровнять всю конструкцию. Гибкость кошачьего позвоночника делает такой маневр возможным за доли секунды. Физик Грег Гбур долгое время считал эту теорию главной, хотя последние данные заставили его пересмотреть позицию.
Модель «пропеллерного хвоста» — самая простая и наглядная гипотеза. Она предполагает, что кошка использует хвост как своеобразный пропеллер или противовес. Если хвост начинает быстро вращаться в одну сторону, то тело, согласно закону сохранения момента импульса, должно повернуться в другую. Это похоже на то, как вертолет меняет направление с помощью хвостового винта. Проблема этой теории в том, что у некоторых кошек хвосты очень короткие или вообще отсутствуют, но они все равно успешно приземляются на лапы.
Тайна раскрыта
В статье, опубликованной в журнале The Anatomical Record, исследователи предложили новый взгляд на проблему падения кошек. Японский физиолог из университета Ямагути Ясуо Хигураши и его коллеги впервые детально изучили кошачью анатомию.
Они извлекли позвоночники из пяти мертвых кошек, завещанных науке, сохранив при этом связки и межпозвоночные диски. Образцы разделили на грудной и поясничный отделы и поместили в специальное устройство, которое измеряет, какое усилие требуется для скручивания, и насколько сильно позвонки могут поворачиваться. Параллельно исследователи сделали высокоскоростные снимки двух живых кошек в свободном падении — каждую сбрасывали по восемь раз.
Результаты показали, что верхняя часть позвоночника (грудной отдел) скручивалась гораздо легче нижней. Более того, на отметке около 50 градусов ученые обнаружили «оптимальную зону» — в этом положении позвоночник практически не оказывал сопротивления скручиванию. Для поясничного отдела такой зоны не было.
У кошек есть очень гибкий участок позвоночника, который позволяет им корректировать свою ориентацию в воздухе, — отметили авторы работы. Именно благодаря этой особенности животное может в долю секунды изгибаться, вращаться и выравниваться, даже если падает вниз головой.
Это, по словам физика Грега Гбура, убедительно подтверждает гипотезу подтягивания и поворота. Кошки сначала выпрямляют голову и переднюю часть тела, используя гибкость верхнего отдела позвоночника, а затем подтягивают лапы для завершающего вращения. Их физиология буквально «заточена» под этот маневр.
Но самое неожиданное открытие ждало впереди. Обе кошки, снятые на видео, демонстрировали явное предпочтение поворачиваться направо. Одна из них делала так в 100% случаев, вторая — в шести из восьми падений.
По-видимому, у кошек есть некоторая естественная тенденция поворачиваться вправо, хотя они явно могут двигаться и в другую сторону, — заключил ученый. Он предполагает, что асимметричное расположение внутренних органов может делать поворот вправо чуть более легким и естественным.
Авторы исследования уверены, что дискуссия продолжится в будущем. Во всех работах, посвященных этой теме, все съемки падающих кошек велись с одной точки, что не позволяет построить полноценную трехмерную модель движения.
«В будущем было бы здорово увидеть, как кто-нибудь сделает последовательность снимков с разных ракурсов, которую можно было бы преобразовать в 3D-модель, — написал он. — Я подозреваю, что мы могли бы узнать еще больше о том, как кошка совершает свой поворот».
Открытие важно не только для понимания кошачьей анатомии. Механика переворота в воздухе изучается робототехниками, специалистами по авиации и даже физиотерапевтами. Понимание того, как животное с обычным, казалось бы, строением тела способно так точно контролировать положение в пространстве, может помочь в создании более совершенных дронов, систем спасения и реабилитационных методик для людей с нарушениями вестибулярного аппарата.
