A macska tényleg mindig a talpára esik?

Az általánosan elterjedt tévhittel szemben a macskák nem mindig esnek a talpukra. De sokszor igen, jóvalgyakrabban mint nem. A tudományt már régóta foglalkoztatja, hogyan csinálják ezt, még a NASA is szerette volna ellesnia technikájukat, ami egyelőre még rejtély. Úgy tűnik, hogy a macskák képesek dacolni a fizika törvényeivel.

 

A macskák, amelyek ellenmondanak a zuhanás fizikai törvényszerűségeinek

 

Amikor a macska fejjel zuhanni kezd, a teste automatikusan átfordul. A macskák rendelkeznek egy igen fejlett a gravitációt érzékelő rendszerrel. Amikor akarva, vagy akaratlanul zuhanni kezd, az egyensúlyérzékelő szervek érzékelik melyik irányba néz a feje és a reflexek úgy fordítják a nyakat, hogy a macska képes legyen lefelé nézni, hogy felmérje, hol fog talajt érni? Közben más reflexek is működésbe lépnek, amik először a mellső, aztán a hátsó lábakat fordítják lefelé, 

és  ezt  még a levegőben a zuhanás közben megteszik, ott, ahol nincs mire támaszkodni és nincs mitől elrugaszkodni. 

Míg a mellső lábak a helyes irányba fordulnak, be is hajlanak, hogy csökkentsék a perdületet, a hátsó lábak eközben viszont nyújtva maradnak. 

A mcskák számos rejtélyes tulajdonsággal rendelkeznek
Fotó: Getty / BBC Science Focus

Aztán a mellső lábak nyúlnak ki és a hátsó lábak húzódnak vissza egy pillanatra. (Ez olyan, mint amikor a jégtáncos kinyújtja a karjait és csökken a sebessége, ha meg behúzza gyorsul.) Amint a cica a helyes irányba fordul,  meggörbíti a gerincét, amivel megakadályozza, hogy a test két felének elfordulása kioltsa egymást. 

A landolás pillanata előtt a négy láb kinyúlik,de  a gerinc görbítve marad, hogy tompítsa a becsapódás erejét. 

Átfordulás közben a macska farka propellerként forog: a farok az ellensúly, mert ha a farkát az egyik irányba forgatja, a teste ezzel ellentétes irányba fordul. Mindez alig néhány tized másodperc alatt történik, ezért csak lassított felvétellel lehet nyomon követni e sajátos mozgás fázisait. 

A macskák akár 3 métert is zuhanhatnak mindenféle következmény nélkük. Paradox módon a  kisebb magasságból való esés okozhat nagyobb sérülést, mert ilyenkor kevesebb idő jut az esés hatásait elhárító manőverre.

 

Mesterien alkalmazzák a közegellenállás törvényét is

 

De a zuhanás hatásainak kivédésére, illetve tompítására a macskáknak van egy másik módszerük is, az úgynevezett ejtőernyőzés. Az álat a testét ilyenkor "ejtőernyővé" alakítja: négy lábát szétterpeszti és csak az utolsó pillanatban veszi fel a landoló testtartás. Ez a manőver, amellyel a közegellenállást használja fel a zuhanási sebesség csökkentésére, legfeljebb 85 km/h -ra lassítja az esési sebességet.

Fotó: Szomor Anikó / John Bradshaw: Macskafejjel

 

Egy kis macskafizika

 

A fizikusokat azért lepte meg a macskák zuhanó technikája, mert ez több szempontból is dacol a fizika törvényeivel, különösen a perdületmegmaradás törvényével, azaz, ha valami az óramutató járásával megegyező irányban forog, akkor valaminek az óramutató járásával ellenkező irányban ugyanakkora sebességgel kell forognia. Amikor a macska zuhanásba kerü, a csípőjénél meghajlik, így képes testének első felét az egyik irányba csavarni, és a hátsó felét pedig a másikba. Mire az első felét kiegyenesíti, a cica jobboldala felfelé kerül.

A macskák teste elképesztően ruganyos
Fotó: ZUMAPRESS.com / MTI/EPA/Andy Rain

Egy másik módszerük, hogy a mellső lábaikat kinyújtják, a hátsókat pedig behúzzák, ezzel adva kisebb tehetetlenségi nyomatékot a hátsó felüknek, ami azt jelenti, hogy kisebb lesz az ellenállás a forgó mozgásban bekövetkező változásokra.  H a karjaikat kinyújtják növelik a tehetetlenségi nyomatékot, ha behúzzák, csökkentik. Ez fordítottan korrelál a sebességgel. Ha a tehetetlenség nő, a sebesség csökken, ha viszont a tehetetlenség csökken, akkor a sebesség növekszik meg.

A macskák fizikája még ma sem teljesen megoldott
Fotó: Szomor Anikó / Szomor Anikó

Ezek azért lehetségesek, mert a macskák teste nagyon rugalmas. Különösen rugalmas az ágyéki régiójuk (a medence és a bordakosár közti terület), emellett vékony a gerincük, ami rugalmasabbá teszi őket más négylábú gerincesekhez képest. Van nekik egy korrekciós reflexük is, amiaz agyhoz kötődik.

 

A macskafizika megoldatlan problémája

 

A macskák eséssel kapcsolatos bámulatos képességei már korán megragadtk a fizikusok fantáziáját.  Az első ezzel kapcsolatos dolgozatot 1700-ban publikálta egy francia tudós, Antoine Parent. De őt nem elsősorban a macska érdekelte, hanem azt vizsgálta, hogy az úszóképes objektumok hogyan mozognak és forognak, miközben egyensúlyi helyzetbe süllyednek. Arra gondolt, hogy ahogyan egy súlyozott objektum a nehéz oldalára dőlhet a vízben a gravitáció és a felhajtóerő miatt, lehet, hogy egy szabadon eső macska is úgy igazítja a gerincét, hogy átfordítsa magát, így a súlypontját a felhajtóerő középpontja fölé helyezi.

Az ötlet azonban rossz volt, mert a levegő felhajtóereje sokkal kisebb annál, mintsem hogy komoly hatással lehetne egy zuhanó macskára. 

Mégis, ez a magyarázat és ennek változatai gyakoriak maradtak macskákról szóló népszerű könyvekben az 1800-as évek közepéig. Ebben az időben a macskákról alkotott kép megváltozott az Egyesült Királyságban és Parent hipotézise  olyan könyvekben is megjelent, amik főleg arról szóltak, hogy mi a legjobb módja a cicákról való gondoskodásnak. A fizikusok azonban új magyarázatokkal álltak elő. Az 1800-as évek elején egyre inkább felismerték, hogy bizonyos alapvető mennyiségek a természetben konzerválódnak a fizikai folyamatokban. Felfedezték az energiamegmaradás törvényét. Például amikor egy autó elindul, az üzemanyagban lévő kémiai energia a kerekek mechanikus energiájává alakul, és amikor fékezünk és az autó megáll, az autó mozgási energiája hőenergiává alakul a súrlódás által.

Már  18 század elejétől iegyekeztek megfejteni a talpra esés problematikáját
Fotó: pixabay.com

A fizikusok szintén már régen felismerték, hogy a lendület is megmarad a fizikai folyamatokban. Egy mozgásban lévő objektum esetén a lendület a tömeg és a sebesség szorzata, és a nehezebb és gyorsabb objektumoknak nagyobb a lendülete, mint a könnyű és lassú objektumoké. Az 1800-as évek közepére felismertek egy másik megmaradási törvényt, a perdület megmaradást (impulzusnyomaték törvénye). Nem lehetséges az, hogy egy objektum forogni kezdjen anélkül, hogy egy másik objektum az ellenkező irányba forogna ugyanazzal az erővel és impulzusnyomatékkal. Ez láthatjuk egy irodai forgó széknél: ha hirtelen balra csavarjuk testünket, a szék ellenkező irányba, jobbra fordul ki.

A megmaradási törvények felismerésével a fizikusok hamarosan arra jutottak, hogy egy macska egyszerűen nem fordulhat át szabadesésben, 

amint esni kezd. Az volt a konszenzus, hogy abban a pillanatban, amikor zuhanni kezd,  valami kezdeti forgást ad magának, és ennek következtében landol a lábain. 

 

Egy újabb felfedezés, ami megzavarta a tudósokat

 

De aztán 1894. október 22-én a Francia Tudományos Akadémián tartott találkozón ezt az elméletet is megdöntötte Etienne-Jules Marey fiziológus, aki nagy sebességű fotósorozatot mutatott be egy zuhanó macskáról. (Ez volt az első ilyen jellegű fotósorozat.) A fotók világosan azt mutatták, hogy a macska fejjel lefelé kezd esni rotáció nélkül, de mégis megfordul és a lábain landol. A felfedezés megzavarta a tudósokat. Az akadémia egyik tagja azt mondta, hogy ez tudományos paradoxon, ami határozottan ellentmond a legelemibb mechanikai szabályoknak.

Marey fotója egy zuhanó macskáról 1894-ből.  A fotót balról jobbra és fentről lefelé kell nézni.
Fotó: BBC Science Focus

Amikor felfedezték a perületmegmaradás törvényét, a fizikusok figyelmüket olyan rideg forgó testek tanulmányozására fókuszálták, mint amilyen egy biciklikerék, vagy egy tengelye körül forgó bolygó. Csakhogy a macska nem egy rideg test. A macskák hajlanak, csavarodnak, és általában testrészeiket egymástól függetlenül működtetik, úgy, hogy forgást érjenek el, még impulzusnyomaték nélkül is.

A fizikusok nagyon gyorsan felismerték hibájukat és számos egyéb mechanizmust javasoltak, a macskák egyedi perdülésnek megmagyarzására. 

De az ezzel kapcsolatos legfontosabb felismerést két holland fiziológus G.G.J. Rademaker és J.W.G. ter Braak publikálta 1935-ben. Ekkorra már az agykutatók is foglalkoztak a dologgal. Tudni akarták, hogy a macska idegrendszerének mely részei kontrollálják a korrekciós reflexet. A két holland tudós segített választ adni ezekre a kérdésekre, de a dolog fizikájára meglévő magyarázatokat nem találták kielégítőnek ezért megalkották a sajátjukat.

Azt modellezték, mintha a macska alapvetően két hengerből áll, ami a macska testének az első és a hátsó felét reprezentálja. Ha a macska a csípőjénél hajlik, akkor testének két felét ellentétes irányba képes csavarni, ami ellentétes impulzusnyomatékot idéz elő. Amikor kiegyenesedik, a teste különböző irányba fog orientálódni, még ha a macskának nem is volt kezdeti perdülete.

De a történetnek itt még egyáltalán nincs vége, mert Rademaker és ter Baak csak a legegyszerűbb modellt prezentálták, ami megragadja a mozgás lényegét, de a részletekre már nem terjed ki.

Fotó: Szomor Anikó

 

 

Macska tudomány a NASA- nál és a robotikában

Az 1960-as évek végén  a "macska probléma" foglalkoztatni kezdte a NASA-t is, aki arra akarta megtanítani az asztronautáit, hogy hogyan forduljanak a súlytalanság állapotában. A Stanfordi Egyetem mérnökei számítógépes szimulációt alkalmaztak, hogy finomítsák a holland fiziológusok modelljét. Azt nem tudni, hogy volt-e asztronauta, aki ezt az űrben megpróbálta.

A macska-manőver kutatás ma is folytatódik egy másik tudományterületen: a robotikában. A robotikát régóta a természet inspirálja arra, hogy egyre jobb robotokat építsen. 

A macskafizika még a NASA fantáziáját is megmozgatta
Fotó: Szomor Anikó

Az eső macska fizikája segíthet olyan robotok kifejlesztésében, amik a lábukon landolnak, minimalizálva a károsodást, amit a zuhanástól elszenvednének. Zuhanó robotmacska prototípusok már készültek, de olyan még nem, ami bármilyen kezdő pozícióból a lábain landolna.

Ahhoz, hogy a macska a lábán landoljon, számos különböző összetett mozdulatot végez abból a célból, hogy olyan gyorsan és hatékonyan forduljon, amennyire csak lehetséges. A problémának az a lényege, hogy a fizikusok túl egyszerű megoldásokat keresnek. Egy videó például cáfolja a hajlás és csavarás modelljét is.  Egyszóval, a cica fizika még mindig nincs megfejtve.