Почему кошки приземляются на ноги? Физика объясняет

Оказывается, кошки могут пережить падение с любой высоты — по крайней мере, теоретически.

Сообщается, что в 2018 году в Нью-Йорке кот выпал из окна квартиры на 32-м этаже на твердый асфальт и выжил. После двухдневного пребывания у ветеринара, который лечил коллапс легкого и сломанные зубы, четвероногий друг смог вернуться домой. Вполне вероятно, что другие подобные ситуации породили поговорку о том, что у кошек девять жизней. На протяжении десятилетий исследователи самых разных дисциплин пытались понять их удивительные навыки выживания.

Но не падения животных с головокружительной высоты впервые озадачили физиков конца XIX века. Вместо этого эксперты были озадачены фотографиями кошек, вращающихся вокруг своей оси, падающих, а затем приземляющихся на ноги. На изображениях того времени изображен человек, держащий кошку за ноги так, чтобы ее спина была обращена к земле. Затем животное отпускают. Сначала животное плавает в воздухе вверх ногами, спиной к земле. Но в следующих кадрах происходит то, что, кажется, бросает вызов законам физики: кот разворачивается и приземляется на лапы.

Конечно, люди из повседневных наблюдений знали, что эти четвероногие могут поворачиваться в воздухе. Но предполагалось, что необходимый для этого движения импульс они получают, отталкиваясь от поверхности, с которой падают. Это потому, что согласно закону сохранения углового момента невозможен внезапный поворот объекта, который не вращается, без внешнего воздействия. Однако именно это и видно на фотографиях. Сначала кот падает прямо вниз. Тогда ему удается вращаться вокруг своей оси. Как это возможно?

Это явление занимало многих учёных, в том числе физика Джеймса Клерка Максвелла, известного своими работами по электромагнетизму. Он провел несколько экспериментов, в которых сбрасывал кошек с разной высоты (в том числе из открытых окон), а также на кровати и столы. Но только в 1969 году «проблема падающего кота» была решена. Как оказалось, тело кота не было осмотрено достаточно внимательно. Это не просто цилиндрический объект, который волшебным образом начинает вращаться. Если присмотреться, то можно увидеть, что верхняя и нижняя часть тела кошки вращаются в противоположных направлениях. Таким образом, сохранение момента количества движения сохраняется. Если животное вращается, как мельница для перца, в двух разных направлениях, изменение углового момента равно нулю.

Но как кошке удается приземлиться на лапы? Для этого кошки используют физические законы классической механики: приближая передние лапы к телу, они уменьшают момент инерции. Как и у фигуристов, их верхняя часть тела быстро вращается вокруг своей оси. Задними ногами животные затем применяют противоположный эффект. Они вытягивают ноги, чтобы создать как можно больший момент инерции. В результате верхняя часть тела поворачивается на большой угол, а ноги меньше вращаются в противоположном направлении. Чрезвычайно гибкий позвоночник животных делает это движение возможным. Как только верхняя часть тела окажется в правильном положении (т. е. голова окажется вертикально над землей), кошки смогут вытянуть передние лапы, подтянуть задние и выполнить движение, подобное мельнице для перца, в противоположном направлении, чтобы задние лапы также расположены над землей. Таким образом, животным всегда удается приземлиться на четвереньки, следуя всем законам физики.

Законы физики гласят, что чем выше падение, тем сильнее удар. Но исследование 1980-х годов рисует иную картину — по крайней мере, для кошек. Два ветеринара из Нью-Йорка описали в общей сложности 132 случая в период с июня по ноябрь 1984 года, когда кошки падали с высоты 32-го этажа высотных зданий. В целом 90 процентов кошек выжили. Когда ветеринары задокументировали травмы, они сделали удивительное наблюдение: хотя тяжесть повреждений увеличивалась до высоты примерно семи этажей, после этого она, казалось, уменьшалась. Другими словами, падение с 11 этажа может закончиться для кота мягче, чем с шестого.