Акробаты на четырех лапах. Как кошки обхитрили законы физики

В октябре 1894 года на заседании Французской академии наук известный физиолог Этьен-Жюль Мэри показал серию фотографий, которая повергла его коллег в негодование. Один из участников конференции заявил, что Мэри представил научный парадокс, который нарушает фундаментальные законы движения объектов.

В центре полемики оказалась кошка. Точнее сказать, падающая кошка, которая изгибалась в воздухе, чтобы приземлиться на лапы.

В течение многих лет ученые предполагали, что кошки могут приземлиться на ноги только в том случае, если они сначала оттолкнутся от поверхности. В основе этой мысли лежит физическая концепция сохранения углового момента, в соответствии с которой тела, которые изначально не вращаются, могут начать это делать лишь под воздействием внешней силы. Без толчка у кошки не могло быть рычага — и ничего другого, что могло бы заставить ее повернуться нужной стороной вверх.

Но на фотографиях Мэри кошка начала изгибаться сразу после того, как оказалась в воздухе, и поворачивалась вообще неизвестно почему.

В последующие десятилетия ученые предложили множество объяснений этой загадки, и многие из них оказались совершенно не соответствующими действительности. Люди до сих пор спорят о деталях кошачьих кувырков, говорит Грег Гбур, физик из Университета Северной Каролины в Шарлотте и автор книги «Падающие кошки и фундаментальная физика». Но эксперты сходятся на том, что кошки (может быть, к сожалению) не бросают вызов законам физики, а лишь хитро используют их, чтобы выжить даже в, казалось бы, невозможных обстоятельствах.

Сбитые с толку физики из Французской академии наук думали о моменте импульса кошки слишком примитивно, сказал мне Гбур. Момент импульса может сохраняться внутри вращающегося объекта (то есть кошки), если половина тела вращается в одном направлении, в то время как другая половина поворачивается в другую сторону, как в мельнице для перца. Затем две части тела действуют как точки опоры друг для друга, придавая друг другу равную и противоположную толкающую, вращающую силу. Что, по-видимому, и происходит с кошками. «Кошачий скелет невероятно гибкий», — говорит Барбро Филликвист, ветеринарный хирург из Калифорнийского университета в Дэвисе. Кошки могут выгибать позвоночник так резко, что фактически они разделяют свое тело на две части. Это происходит так, как если бы они имели «подобие коленного сустава в верхней части спины», — считает Дэвид Ху, инженер-механик из Georgia Tech.

Когда кошка падает вниз головой, передняя половина тела обычно переворачивается первой. Чтобы так произошло, эта половина должна поворачиваться быстрее, чем задняя — для этого кошка подтягивает передние лапы к животу (вроде того, как фигуристы тянут руки, быстро вращаясь вокруг своей оси), в то время как задние лапы остаются растопыренными. Затем кошка расслабляет передние лапы, одновременно прижимая задние. Тогда задняя часть начинает крутиться быстрее, переводя переднюю часть тела в положение правой стороной вверх.

Между тем хвост, что восхитительно, может действовать как своего рода пропеллер, ускоряя вращение тела. Хотя это уже роскошь, отметил Гбур: мэнские кошки прекрасно приземляются и без хвоста.

Переворот происходит на удивление быстро, говорит физик Ханно Эссен, смоделировавший процесс движения кошки во время падения. Кошки могут, пролетев не более полуметра, изменить положение своего тела — они ориентируются в пространстве за долю секунды. Именно этот импульс помог коту Эссена по имени Муше благополучно приземлиться после падения из окна на высоте 10–12 метров от земли.

Несмотря на свою ловкость, кошки всё же подвергаются огромному риску, когда падают с большой высоты — особенно с учетом того, что современные здания стали выше. По словам Карли Фокс, одного из старших ветеринаров Медицинского центра для животных имени Шварцмана в Нью-Йорке, почти четверть случаев травм домашних животных за последние семь лет случились в результате падения с высоты. Падение с высоты может вызвать у кошек кровотечение из носа, переломы рта, коллапс легких, переломы ног и даже разрыв внутренних органов.

Чем с большей высоты кошки падают, тем рискованнее приземление — по крайней мере, до определенной границы. Некоторые ученые утверждают, что если кошка падает с высоты больше шести или семи этажей, уровень травматизма может стабилизироваться или даже снизиться. С научной точки зрения это странно, говорит физик Ретт Аллейн, который написал об этом явлении статью для Wired.

«Возможно, мы имеем дело с ненадежными данными. Когда владельцы приводят своих кошек к ветеринарам, их слова довольно трудно проверить. Другие исследования показали совершенно противоположные результаты. С такими скудными и противоречивыми данными мы просто не знаем, так это или нет», — объясняет Майкл Като, ветеринар скорой и реанимационной помощи в Калифорнии.

Тем не менее это согласуется с шокирующей устойчивостью некоторых кошек при падении с очень большой высоты. Гбур однажды видел, как кошка спрыгнула с двадцатиметрового дерева, а Фокс недавно лечил кошку, которая пережила падение с девятнадцатого этажа. Кошка по имени Сабрина однажды пролетела тридцать два этажа, приземлилась на бетон и выжила. А кошка по имени Джомми упала с двадцать шестого этажа, пробила крышу палатки и совсем не пострадала.

«Я видела кошек, которые падали с седьмого, восьмого, девятого, десятого этажей, и у них были рваные раны, иногда была сломана нога, но всё это заживало со временем», — говорит Кристин Раттер, ветеринар скорой и реанимационной помощи в Техасском университете.

Исследования показывают, что показатели выживаемости при падении кошек с высоты стабильно превышают 90%, «что для меня звучит дико, учитывая, что я работаю в отделении неотложной помощи и интенсивной терапии», — говорит София Амирсултан, ветеринар скорой и реанимационной помощи в Университете штата Северная Каролина.

Секрет может заключаться в том, что кошки проскальзывают через еще одну лазейку в законах физики. Во время падения первые несколько метров тело кошки ускоряется, что усиливает удар, который она почувствует, когда наконец коснется земли. Для кошек, которые падают с высоты двух-пяти этажей, последствия могут быть губительными. Однако пролетев пять этажей 11-килограммовая кошка достигнет своей конечной скорости около 70 километров в час — и независимо от того, насколько выше ее начальная точка, удар по силе будет таким же. Возможно, как сказал мне Айлен, не существует предела высоте, с которой кошка может прыгнуть и выжить.

Достижение предельной скорости может вызвать приятное ощущение невесомости и даже заставить кошачий мозг «перестать волноваться», отчего лапы животного расслабятся, предположил Раттер. Удар будет такой же силы, но он будет менее резкий и распределится по телу кошки более равномерно. Это могло бы объяснить, почему травмы, которые Като и его коллеги обнаруживают у котов, упавших с высоты семи и более этажей, чаще приходятся на туловище и челюсти, чем на конечности.

Кролики тоже, по-видимому, умеют неплохо изгибаться в воздухе. Кроме того, ученые обнаружили, что некоторые виды гекконов могут безопасно опускаться на землю, махая своими очень толстыми хвостами. Но, пожалуй, только домашние кошки достигли совершенства, ведь им присуще удивительное чувство равновесия, позволяющее мгновенно осознавать, когда нужно перевернуться, плюс молниеносные рефлексы, гибкая спина и невероятно эластичные конечности, говорит Мэйрин Балиси, палеонтолог из Музея палеонтологии Альф в Калифорнии. А вот собаки после падения чувствую себя не так хорошо, утверждают ветеринары. По словам Балиси, даже некоторые более крупные виды кошек приземляются не очень хорошо.

Я спросил Гбура, могут ли люди научиться имитировать кошачьи гироскопические кульбиты. Пожалуй, ответил он мне, мы уже так умеем. Лучшие ныряльщики и гимнасты могут вертеться не хуже кошек. NASA тоже берет у кошек уроки, чтобы научить астронавтов передвигаться в космосе, где нет гравитации. Но превзойти кошек мы не сможем, сказал мне Гбур. Возможно, никто не знал этого лучше, чем Мэри, главный поставщик фотографий брошенных кошек: в статье Nature, опубликованной через месяц после конференции, не зря было отмечено «выражение оскорбленного достоинства» на морде объекта исследования, навсегда увековеченного на пленке.