Koty dają prawom fizyki dużo do myślenia

W październiku 1894 r. na spotkaniu francuskiej Akademii Nauk znany fizjolog Étienne-Jules Marey pokazał serię fotografii, która doprowadziła kolegów do wspólnego poruszenia. W związku z tym jeden z uczestników konferencji ogłosił, że Marey przedstawił paradoks naukowy, który naruszył podstawowe prawa dotyczące przemieszczania się przedmiotów.

Centrum sporu był kot. A dokładnie spadający kot, który w powietrzu obrócił się, aby wylądować na swoich łapach. Upadek nie był problemem, lądowanie tak samo. Skandal wywołał to, co się stało pomiędzy.

Przez lata naukowcy zakładali, że koty mogą lądować na łapach tylko wtedy, gdy one same wystartują z powierzchni. Idea wykuła się w fizyczne pojęcie znane jako moment pędu, co stwierdza, że ciała, które nie obracają się, nie zaczną, chyba że zostanie zastosowana jakaś siła zewnętrzna. Bez popchnięcia kot nie miałby dźwigni, nic co wywołałoby skręt jego ciała. Jednak obrazy Mareya ujawniły kota, który rozpoczął swoje wygibasy po tym, gdy spadanie się rozpoczęło, obracając się, jak się wydawało, bez żadnej pomocy. 

W kolejnych dekadach naukowcy zaoferowali mnóstwo wyjaśnień dla zagadki, ale wielu z nich całkowicie brakuje celu. Nawet dziś „nadal znajdziesz ludzi, którzy się kłócą” o szczegóły niestabilnej sztuczki kotów, mówi Greg Gbur, fizyk Uniwersytetu Północnej Karoliny w Charlotte oraz autor „Falling Felines and Fundamental Physics”. Eksperci mogą się jednak zgodzić, że koty (być może niestety) nie przeciwstawiają się fizyce. Po prostu ewoluowały, aby wykorzystać jej najgłębsze niuanse, nawet jeśli okoliczności wydają się niemożliwe do przetrwania.

Zdumieni fizycy z Francuskiej Akademii myśleli o momencie pędu kota w zbyt prosty sposób, powiedział Gbur. Moment pędu może być nadal zachowany w wirującym obiekcie (kocie), jeśli połowa ciała obraca się w jednym kierunku, a druga połowa obraca się w drugą stronę tak jak młynek do pieprzu. Dwa kawałki ciała działają wtedy na siebie jak punkt podparcia, przekazując sobie jednakową i przeciwstawiającą krętą siłę. Co jest dokładnie tym, co wydaje się mieć miejsce u kotów. „Szkielet kota jest niezwykle elastyczny” – mówi Barbro Fillicist, lekarz weterynarii w UC Davis. Koty mogą tak ostro wygiąć kręgosłup, że skutecznie dzielą swoje ciało na dwa, prawie jakby „mieć staw kolanowy na swoich plecach” – mówi David HU, inżynier mechanik w Georgia Tech.

Kiedy kot leci w powietrzu do góry nogami, połowa ciała z głową jest zwykle pierwsza do odwrócenia. Aby tak się stało, przód musi skręcić szybciej niż tył – ruch, który kot prawdopodobnie inicjuje przez podwinięcie swoich przednich łap w kierunku brzucha (podobnie jak w przypadku łyżwiarzy figurowych wciągających ramiona podczas wykonywania szybkiego zawirowania), podczas gdy tylne łapy pozostają rozstawione. Następnie kot rozluźnia przednie nogi, jednocześnie wpychając tylne kończyny. Tym razem, tylna część skręca szybciej, przenosząc resztę ciała do pozycji górnej prawej strony. Tymczasem ogon może, zachwycająco, działać jako rodzaj śmigła, przyspieszając obroty ciała. (To jest zbędny dodatek, powiedział Gbur: Kot Manx (bez ogona) ląduje tak samo dobrze).

To obracanie dzieje się „zaskakująco szybko” – mówi Hanno Essén, fizyk w szwedzkim Królewskim Instytucie Technologii KTH, który modelował odruch prostujący kota. Koty mogą zmienić orientację w obrębie kilku metrów rozpoczynając proces w ciągu ułamka sekundy. Ten właśnie impuls pomógł złośliwemu kotu z dzieciństwa Essena’a lądować bezpiecznie po upadku z okna z około 12 metrów nad ziemią.  

Pomimo swojej aerodynamiki, koty wciąż borykają się z ogromnym ryzykiem, gdy upadają z wysokich miejsc, zwłaszcza że nowoczesne budynki w ośrodkach miejskich są coraz wyższe. W Centrum Medycznym Zwierząt Schwarzman w Nowym Jorku prawie jedna czwarta przypadków urazu zwierząt domowych, w ciągu ostatnich siedmiu lat, została zarejestrowana jako „upadek z wysokości”, według Carly Fox, jednej ze starszych weterynarzy AMC. W najgorszych przypadkach, tak zwany „zespół wieżowca” może kończyć się krwawieniem z nosa, złamaniem kości głowy, zapadnięciem płuc, złamanymi kończynami, a nawet rozerwaniem organów.  

Im dalej koty spadają, tym zazwyczaj gorsze są konsekwencje – przynajmniej do jakiegoś stopnia. Niewielka ilość badań, w tym niektórych z AMC, wskazują, że powyżej sześciu lub siedmiu kondygnacji wskaźnik urazu może się ustabilizować, a nawet odwrócić. A to, naukowo, jest „dziwne”, mówi Rhett Allain, fizyk na Południowo-Wschodnim Uniwersytecie Luizjany, który napisał o tym zjawisku. „Nigdy nie mówisz »im wyżej tym lepiej«”. Niektóre z danych mogą być stronnicze i jest to dość trudne do etycznego potwierdzenia; inne badania wykazały dość odwrotne wyniki. Przez takie rzadkie i sprzeczne dane, „po prostu nie wiemy”, mówi Michael Kato, weterynarz ratunkowy z Kalifornii.

Jeśli wzór jest prosty, to by oznaczało dla niektórych kotów szokującą odporność na dużych wyżynach. Gbur zobaczył kiedyś kota, który po prostu skoczył z 30-metrowego drzewa; Fox niedawno leczył kota, który przeżył upadek z 19 piętra. Kot o imieniu Sabrina wypadł kiedyś na beton z 32 piętra i przeżył, aby móc to opowiedzieć. Inny, Jommi, podobno spadł 26 piętra, przeleciał przez dach namiotu i został znaleziony bez szwanku, myjący się gdzieś w pobliżu. „Widziałem koty, które spadały siedem, osiem, dziewięć, dziesięć kondygnacji i mają otarcia, może złamaną nogę, ale są one całkowicie naprawialne” – mówi Christine Rutter, weterynarz ds. nagłych i opieki krytycznej na Uniwersytecie Texas A&M. Badania pokazują, że wskaźnik przeżycia „zespołu wieżowca” u kotów konsekwentnie stoi powyżej 90 procent, „co jest szalone według mnie, biorąc pod uwagę izbę przyjęć i OIOM gdzie pracuję”, mówi Sophia Amirsultan, weterynarz ratunkowy i opieki krytycznej na Uniwersytecie w Stanie Północnej Karoliny.

Tajemnica może obejmować koty prześlizgujące się przez inną lukę fizyki. W ciągu pierwszych kilkunastu metrów opadające ciało kota będzie stale przyspieszać, podnosząc siłę uderzenia, jaką będzie odczuwać, gdy w końcu dotknie ziemi. Jest to dość trudna sprawa dla kotów, które wypadają z około drugiego do piątego piętra. Jednak tuż za tym piątym piętrem, 5kg kot osiągnie swoją prędkość końcową około 90km/h; i bez względu na to, jak znacznie wyższy jest punkt wyjścia, jego ostateczne uderzenie nie będzie gorsze. Następstwa są zwariowane: w rzeczywistości może nie istnieć prawdziwy limit wysokości, powiedział Allain, z której kot może się rzucić i przetrwać.

Osiągnięcie prędkości końcowej może być przyjemnie nieważkie, a nawet może sprawić, że mózg kota „przestanie wariować”, a jego nogi się rozluźnią, powiedziała  Rutter. Wpływ nadal będzie, ale będzie nieco bardziej sprężyste i odrobine bardziej równomiernie rozłożone na całym ciele kota. To może wyjaśnić, dlaczego Kato odkrył, że rodzaje urazu, jakie widzi on i jego koledzy na wysokości siedmiu kondygnacjach i powyżej, są bardziej skoncentrowane na torsie i szczęce niż na kończynach.

Króliki także wydają się mieć całkiem przyzwoity odruch prostujący; do tego niektóre rodzaje gekonowatych  mogą się bezpiecznie przemieszczać w dół do ziemi przez zwijanie ich bardzo grubych ogonów. Ale możliwe, że tylko koty domowe osiągają idealne połączenie: niesamowite poczucie równowagi, aby szybko poczuć, kiedy trzeba się odwrócić, do tego błyskawiczne refleksy, giętki grzbiet i super rozciągliwe kończyny, aby to wszystko przeprowadzić, mówi Mairin Balisi, paleontolog w Raymond M. Alf Muzeum Paleontologii, w Kalifornii. Koty, które rozwinęły się, aby być zwinne i móc żyć na drzewach, mogą być nawet wspomagane przez ich płynne, lekko zamortyzowane ciało, powiedziała Amirsultan. Psy nie mają takiej tendencji do radzenia sobie po upadku. Nawet niektóre większe gatunki kotów nie zawsze mogą utrzymać się lądując, powiedziała Balisi. (Gdyby tak było, dodała, Król Lew nigdy by nie wyszedł). 

Zapytałem Gbur’a, czy ludzie mogą nauczyć się naśladować żyroskopowe obroty kotów. Zapewne, powiedział mi, już to zrobiliśmy. Najlepsi nurkowie i gimnastycy mogą być niedoścignięci w swoich obrotach; NASA również czerpała z kotów, aby nauczyć astronautów jak hasać w przestrzeni wolnej od grawitacji. Mimo wszystko, koty zawsze „zrobią to lepiej” – powiedział Gbur – chociaż niekoniecznie cieszą się tą wycieczką w dół.