وقتی گربه قوانین فیزیک را زیر پا می گذارد و از مرگ می گریزد!/عکس

غزل زیاری: طبق گزارشات در سال 2018، یک گربه از پنجره طبقه 32 در شهر نیویورک سقوط کرد و روی سنگفرش فرود آمد و زنده ماند.

در نتیجه این سقوط، گربه دچار مشکلات ریوی شد و چندین دندان شکست. اما پس از دو روز بستری در کلینیک دامپزشکی مرخص شد و به خانه بازگشت. این اتفاق و اتفاقات مشابه باعث شد بگویند گربه ها هفت جان دارند.

برای دهه ها، محققان رشته های مختلف علمی با این سوال دست به گریبان بوده اند تا توانایی های شگفت انگیز بقای گربه ها را درک کنند.

گربه ها و سرپیچی از قوانین فیزیک

در پایان قرن نوزدهم، فیزیکدانان سقوط گربه‌هایی را که از ارتفاعات بلند می‌افتادند مورد مطالعه قرار دادند. آنها از دیدن عکس های گربه هایی که در حال سقوط، چرخش و فرود آمدن روی پاهایشان بودند شگفت زده شدند. تصاویری که در آن زمان منتشر شد، فردی را نشان می دهد که پاهای گربه را با پشت به زمین گرفته است. پس از آن حیوان را از بالا آزاد می کند. ابتدا، گربه به صورت وارونه در هوا شناور می شود و پشتش همچنان به سمت زمین است. اما در چند عکس بعدی، چیزی را می بینیم که قوانین فیزیک را به چالش می کشد: گربه در نهایت برمی گردد و روی پنجه هایش روی زمین فرود می آید.

البته، مردم از مشاهدات روزمره می دانند که گربه ها می توانند در هوا بچرخند. با این حال، تصور می شد که آنها با اعمال فشار به سطحی که از آن می افتند، تکانه لازم برای این حرکت را به دست آورند. به دلیل ثابت بودن تکانه زاویه ای، غیرممکن است که جسمی که در حال چرخش نیست، بدون عمل خارجی به طور ناگهانی بچرخد. با این حال، این دقیقا همان چیزی است که در تصاویر می بینیم. گربه ابتدا مستقیم به پایین می افتد و سپس موفق می شود به سمت محور بدن خود بچرخد. چطور ممکن است؟

بسیاری از دانشمندان درگیر این پدیده بودند، از جمله فیزیکدانی به نام جیمز کلارک ماکسول که به دلیل تلاش هایش در زمینه الکترومغناطیس شهرت داشت. او چندین آزمایش انجام داد که در آنها گربه ها را از ارتفاعات مختلف (از جمله از طریق پنجره های باز) و روی تخت ها و میزها انداخت. اما تا سال 1969 بود که “مشکل سقوط گربه” حل نشد. همانطور که مشخص شد، بدن گربه به اندازه کافی مورد بررسی قرار نگرفته بود. گربه یک جسم استوانه ای نیست که به طور جادویی شروع به چرخش کند. اگر دقت کنید، می بینید که بالا و پایین بدن گربه در دو جهت مختلف می چرخد. علاوه بر این، حرکت زاویه ای بدن گربه حفظ می شود. اگر حیوان در دو جهت مختلف بچرخد، مانند آسیاب فلفل، تغییر در حرکت زاویه ای صفر است.

بیشتر بخوانید:

زمین روی پنجه! اقدامی دشوار اما ممکن

اما چگونه گربه در نهایت موفق می شود روی پنجه های خود فرود بیاید؟ برای انجام این کار، گربه ها از قوانین فیزیک مکانیکی کلاسیک استفاده می کنند: اینرسی چرخشی خود را با قرار دادن پنجه های جلویی خود در نزدیکی بدن کاهش می دهند. درست مانند اسکیت بازها، بالاتنه گربه به سرعت حول محور بدن می چرخد ​​و اثر معکوس با پاهای عقبی آن اعمال می شود. آنها پاهای خود را صاف می کنند تا بیشترین اینرسی چرخشی ممکن را ایجاد کنند. این باعث می شود که نیم تنه گربه با زاویه زیادی بچرخد و پاهای گربه کمتر در جهت مخالف بچرخد. ستون فقرات بسیار منعطف گربه اجازه چنین حرکاتی را می دهد. هنگامی که نیم تنه در موقعیت صحیح قرار دارد (یعنی سر عمود بر زمین است)، گربه می تواند پنجه های جلویی خود را دراز کند، پاهای عقب خود را سفت کند و یک حرکت آسیاب فلفلی در جهت مخالف انجام دهد به طوری که پنجه های عقبش نیز در حال استراحت باشند. در طبقه روی زمین قرار گیرد

بنابراین این حیوانات همیشه موفق می شوند طبق تمام قوانین فیزیک روی چهار دست و پا فرود آیند.

گربه ها چقدر می توانند سقوط کنند و زنده بمانند؟

طبق قوانین فیزیک، هرچه بالاتر بیفتید، تأثیر آن بیشتر است، اما تحقیقات دهه 1980 تصویر متفاوتی را حداقل برای گربه ها نشان می دهد. بین ژوئن و نوامبر 1984، دو دامپزشک شهر نیویورک، 132 مورد گربه را که از طبقه 32 یک ساختمان سقوط کرده بودند، بررسی کردند. به طور کلی، 90٪ از گربه ها زنده ماندند. وقتی این دامپزشکان جراحات گربه‌ها را مستند کردند، به یک نتیجه شگفت‌انگیز رسیدند: اگرچه شدت جراحات در گربه‌هایی که مثلاً از طبقه هفتم یک ساختمان پرتاب می‌شدند بیشتر بود، اما به نظر می‌رسید که شدت جراحات کمتر باشد. همچنین در سقوط از ارتفاع بیشتر کمتر بود. یعنی برای یک گربه افتادن از طبقه یازدهم راحت تر، نرم تر و ایمن تر از سقوط از طبقه ششم بود.

یک بار دیگر به نظر می رسید که گربه ها از قوانین فیزیک سرپیچی می کنند.

سقوط از ارتفاع بیشتر ایمن تر است

هر چه گربه بالاتر بیفتد، توسط گرانش زمین شتاب بیشتری می گیرد. در نتیجه سرعت گربه با سقوط ادامه خواهد داشت تا در نهایت به زمین بخورد. ضربه ناگهانی، انرژی جنبشی حیوان افتاده را به شکل دیگری از انرژی تبدیل می‌کند که می‌تواند باعث شکستگی استخوان‌ها، آسیب ریه‌ها و آسیب‌های جدی‌تر شود. بنابراین، سقوط از طبقات بالاتر منطقاً باید عواقب ناخوشایندتری نسبت به سقوط از طبقات پایین داشته باشد.

اما این طرز تفکر در مورد گربه های سقوط آزاد به معنای نادیده گرفتن مقاومت هوا است. لازم به ذکر است که گربه ها در خلاء نمی افتند، بلکه در هوا به زمین می افتند که به کند شدن سقوط آنها کمک می کند. در نتیجه، هنگام سقوط یک گربه، دو نیروی متضاد نقش دارند: از یک سو، گرانش Fg و از سوی دیگر، نیروی اصطکاک FR، که سرعت گربه را کند می کند. نیروی گرانشی شکل بسیار ساده ای دارد و حاصل جرم گربه و شتاب گرانش است، اما درگ به عوامل مختلفی بستگی دارد.

محدودیت سرعت گربه در حال سقوط

شتاب یک عامل مربوط به تغییرات سرعت است که در ریاضیات با یک مشتق ساده بیان می شود. یعنی اگر بخواهیم سرعت گربه را در یک زمان معین محاسبه کنیم، باید سیستم پیچیده ای از معادلات را حل کنیم که بسته به سطح مقطع و وزن گربه، ابتدا با یک منحنی به سرعت در حال افزایش روبرو می شود و سپس صاف می شود تا زمانی که یک مقدار ثابت همگرا شود. یعنی در ابتدای پاییز حیوان سرعت بالایی دارد اما به تدریج مقاومت هوا بیشتر می شود و سرعت سقوط گربه متوقف می شود. این نتیجه ای است که رت آلن، فیزیکدان دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا به آن رسیده است.

در عین حال، محاسبه حداکثر سرعت گربه آسان است. از آنجایی که سرعت نهایی زمانی حاصل می شود که نیروی اصطکاک دقیقاً برابر با نیروی گرانشی باشد، این دو نیرو یکدیگر را خنثی می کنند و یک جسم در حال سقوط با سرعت ثابت به سمت زمین حرکت می کند.

به عنوان مثال، برای محاسبه حداکثر سرعت سقوط یک گربه، مقادیر عددی باید برای متغیرها وارد شود. گربه ای را تصور کنید که 4 کیلوگرم وزن و 50 سانتی متر طول و 15 سانتی متر عرض دارد. سطح مقطع این گربه 0.075 متر مربع و حداکثر سرعت سقوط این گربه 68.32 متر بر ثانیه است که کمتر از 120 کیلومتر در ساعت است.

برای اینکه بفهمیم سرعت سقوط گربه در چه ارتفاعی به حداکثر می رسد، می توانیم با حل معادله دیفرانسیل سرعت در زمان برخورد را به عنوان تابعی از ارتفاع سقوط محاسبه کنیم.

همانطور که در نمودار مشاهده می شود گربه ها با سقوط از ارتفاع 100 متری به سرعت 30 متر در ثانیه می رسند. از آنجایی که مشاهده شده است که گربه ها از سقوط از ساختمان های بلندتر مانند طبقه 32 جان سالم به در می برند، از نظر تئوری می توان گفت که می توانند از سقوط با حداکثر سرعت ممکن 120 کیلومتر در ساعت جان سالم به در ببرند. در نتیجه، این حیوانات از نظر تئوری می توانند از سقوط از هر ارتفاعی که قابل تصور باشد جان سالم به در ببرند.

تاثیر واقعی یا اعوجاج بقا

اما محاسبه حداکثر سرعتی که گربه با آن سقوط کرد مشاهدات دامپزشکان نیویورک را توجیه نمی کند. چرا گربه ها از سقوط از طبقه هفتم یا بالاتر جان سالم به در می برند؟ این یک توضیح تجربی است:

زمانی که گربه از ارتفاعی کم می افتد، برای مدت کوتاهی بی وزنی را تجربه می کند. بنابراین او به طور غریزی پاهای خود را به سمت پایین دراز می کند تا روی چهار دست و پا فرود آید. با این حال، این استراتژی در مورد سقوط از ارتفاع زیاد کار نمی کند: آسیب های جدی پا ممکن است رخ دهد. زیرا وزن حیوان به اشتباه توزیع می شود.

این تفاوت می تواند توضیح دهد که چرا با افزایش ارتفاع سقوط، میزان بقای حیوانات کاهش می یابد. (حداقل تا طبقه هفتم). با این حال، هنگام سقوط از ارتفاع زیاد، نیروی اصطکاک در زمان سقوط افزایش می یابد. به همین دلیل، دامپزشکان گمان می کنند که در این شرایط، گربه دیگر سقوط را احساس نمی کند. این کار او را خنک و آرام نگه می دارد و پاهایش را دراز نمی کند. در نتیجه به آرامی و با توزیع وزنی یکنواخت سقوط می کند و فرود می آید و شانس بقای آن را افزایش می دهد.

توضیح ساده تری برای این مشاهده وجود دارد که احتمالاً دوستداران حیوانات را ناامید می کند. یافته های دامپزشکان اصطلاحی به نام “سوگیری بقا” را توضیح می دهد. اگر گربه ای از ارتفاع بیفتد و فوراً بمیرد، بعید است که صاحب آن گربه را دوباره نزد دامپزشک ببرد. بنابراین، تعداد مرگ و میرهای گزارش نشده ناشی از سقوط گربه به احتمال زیاد بسیار بیشتر از آن چیزی است که دامپزشکان ثبت کرده اند و آمار نشان می دهد.

منبع: علمی آمریکایی

۲۲۷۲۲۷