وقتی گربه قوانین فیزیک را به چالش می کشد و از مرگ می گریزد! - وبلاگ تینتا

به گزارش وبلاگ تینتا، طبق گزارش ها در سال 2018، در شهر نیویورک یک گربه از پنجره خانه ای در طبقه سی و دوم به پائین سقوط کرد و بر روی آسفالت افتاد و جان سالم به در برد.

به گزارش خبرآنلاین؛ در پی این سقوط، مشکلاتی برای ریه گربه ایجاد شد و چند دندانش شکست؛ ولی بعد از دو روز بستری شدن در کلینیک دامپزشکی، مرخص شد و به خانه بازگشت. این اتفاق و اتفاق های مشابه باعث شده تا از قدیم بگویند که گربه ها هفت جان دارند.

دهه هاست که محققانی در رشته های مختلف علمی به آنالیز این موضوع می پردازند تا مهارت های شگفت انگیز بقای گربه ها را درک نمایند.

گربه ها و به چالش کشیدن قوانین فیزیک

در اواخر قرن نوزدهم بود که فیزیک دانان آنالیز پرونده سقوط گربه ها از ارتفاعات بسیار بلند را مورد آنالیز قرار دادند. آن ها با تماشا عکس هایی از گربه ها که در حال سقوط روی محور بدنشان می چرخند و روی پا های خود فرو می آیند، حیرت زده شدند. تصاویری که در آن موقع منتشر شد، شخصی را نشان می دهد که گربه را از پاهایش گرفته، به نحوی که پشتش رو به سمت زمین باشد. بعد از آن، این حیوان را از ارتفاع رها می نماید. در ابتدا گربه به صورت وارونه در هوا شناور می گردد و پشتش همچنان رو به زمین است؛ اما در نما های بعدی، شاهد اتفاقی هستیم که قوانین فیزیک را به چالش می کشد: گربه در نهایت می چرخد و روی پنجه هایش برروی زمین فرود می آید.

طبیعتا افراد طبق مشاهدات روزمره شان می دانند که گربه ها می توانند در هوا بچرخند. اما فرض بر این بود که آن ها تکانه های لازم برای این حرکت را با فشار آوردن به سطحی که از آن سقوط می نمایند به دست می آورند. به این خاطر که با توجه به پایستگی تکانه زاویه ای غیرممکن است که جسمی که در حال چرخش نیست، بدون تاثیر خارجی به شکلی ناگهانی بچرخد. با این وجود این دقیقا همان چیزی است که در تصاویر مشاهده می کنیم. در ابتدا گربه مستقیم به سمت پائین می افتد و بعد پیروز می گردد تا در جهت محور بدنش بچرخد. چطور چنین چیزی ممکن است؟

این پدیده بسیاری از دانشمندان، از جمله فیزیکدانی به نام جیمز کلارک مکسول که به خاطر کوشش هایش در زمینه الکترومغناطیس شناخته می گردد را درگیر کرد. او چندین آزمایش انجام داد و در آن ها گربه ها را از ارتفاع های مختلفی (از جمله از پنجره های باز) و روی تخت و میز پائین انداخت. ولی در سال 1969 بود که مشکل سقوط گربه حل شد. آن طور که معلوم شد، بدن گربه به میزان کافی و با دقت مورد آنالیز قرار نگرفته بود. گربه یک جسم استوانه ای نیست که به شکلی جادویی آغاز به چرخیدن کند. اگر با دقت نگاه کنید، می بینید که بالا و پائین بدن گربه در دو جهت مختلف می چرخد. به علاوه تکان زاویه ای بدن گربه حفظ می گردد. اگر حیوان مثل آسیاب فلفل در دو جهت مختلف بچرخد، تغییر در حرکت زاویه ای، صفر خواهد بود.

فرود روی پنجه! اقدامی سخت، ولی شدنی

ولی چطور گربه در نهایت پیروز می گردد تا روی پنجه هایش فرود بیاید؟ برای انجام این کار، گربه سانان از قوانین فیزیک مکانیک کلاسیک استفاده می نمایند: آن ها با قرار دادن پنجه های جلویی شان در نزدیکی بدن، اینرسی دورانی شان را کم می نمایند. دقیقا مثل اسکیت بازها، بخش بالایی بدن گربه به سرعت حول محور بدن می چرخد و با پا های عقبشان، اثر معکوس را اعمال می نمایند. آن ها پاهایشان را کش می دهند تا بیشترین اینرسی دورانی موجود را ایجاد نمایند و در نتیجه، بخش بالایی بدن گربه در یک زاویه بزرگ می چرخد و پا های گربه چرخش کمتری در جهت مخالف خواهد داشت.

ستون فقرات بسیار انعطاف پذیر گربه امکان چنین حرکتی را فراهم می نماید. زمانی که بالاتنه در موقعیت صحیح نهاده شد (یعنی سر به شکل عمودی بالاتر از زمین نهاده شد)، گربه می تواند پنجه های جلویی اش را دراز نموده، پا های عقبش را سفت کند و حرکتی مانند آسیاب فلفل را در جهت مخالف انجام دهد تا پنجه های عقبش نیز روی زمین قرار گیرند.

بدین ترتیب، این حیوانات همواره پیروز می شوند تا با پیروی از تمام قوانین فیزیک روی چهار دست و پایشان فرود بیایند.

گربه ها تا چه ارتفاعی سقوط نمایند و زنده می مانند؟

طبق قوانین فیزیک، هرچقدر از ارتفاع بالاتری بیفتید، ضربه سخت تر خواهد بود، ولی تحقیقی که در دهه 1980 صورت گرفته، تصویر متفاوتی را دست کم برای گربه ها ارائه می دهد. دو دامپزشک اهل نیویورک، در بین ژوئن تا نوامبر سال 1984، 132 مورد گربه هایی که از ارتفاعی به میزان طبقه سی و دوم یک ساختمان به پائین سقوط نموده بودند را مورد ارزیابی قرار دادند. در مجموع 90 درصد گربه ها جان سالم به در برده بودند. زمانی که این دامپزشک ها، جراحات این گربه ها را مستند کردند، به یک جمع بندی شگفت آور رسیدند: با وجودی که شدت جراحات، در گربه هایی که از ارتفاعی در حدود طبقه هفتم یک ساختمان به پائین پرتاب شده بودند بیشتر بود، به نظر می رسید که شدت جراحات در سقوط از ارتفاعات بالاتر از آن کمتر بوده. یعنی سقوط از طبقه یازدهم برای یک گربه، آسان تر و آرام تر و ایمن تر از سقوط از طبقه ششم بود.

یک بار دیگر به نظر می رسید که گربه سانان قوانین فیزیک را زیر پا گذاشته اند.

سقوط از ارتفاع بالاتر، ایمن تر است

هر چه گربه از طبقه بالاتری سقوط کند، گرانش زمین به آن شتاب بیشتری می دهد؛ بنابراین سرعت گربه در هنگام سقوط بیشتر و بیشتر می گردد تا اینکه در نهایت به زمین بخورد. ضربه ناگهانی، انرژی جنبشی حیوانی که سقوط نموده را به شکل دیگری از انرژی تبدیل می نماید که می تواند منجر به شکستگی استخوان، آسیب ریوی و حتی آسیب های شدیدتر گردد؛ بنابراین سقوط از طبقات بالاتر منطقا می بایست عواقب ناخوشایند بیشتری نسبت به سقوط از طبقات پائین تر داشته باشد.

اما این طرز تفکر در خصوص سقوط آزاد گربه ها، به منزله نادیده گرفتن مقاومت هواست. باید این را در نظر داشت که گربه ها در خلاء به زمین نمی افتند و در هوایی به سمت زمین سقوط می نمایند که به کندتر شدن سرعت سقوطشان یاری می نماید. در نتیجه دو نیروی متضاد در هنگام سقوط یک گربه ایفای نقش می نمایند: یکی نیروی گرانشی Fg و دیگری نیروی اصطکاک FR که سرعت گربه را کاهش می دهد. نیروی گرانشی شکل بسیار ساده ای دارد و حاصل ضرب جرم گربه و شتاب ناشی از گرانش است، ولی مقاومت هوا به فاکتور های متفاوتی بستگی خواهد داشت.

محدودیت سرعت گربه های درحال سقوط

شتاب فاکتوری مرتبط با تغییر سرعت است که در ریاضی با یک مشتق ساده بیان می گردد. یعنی اگر می خواهید سرعت گربه را در یک زمان معین محاسبه کنید، باید یک سیستم پیچیده از معادلات را حل کنید که بسته به سطح مقطع و وزن گربه، با یک منحنی روبرو خواهید شد که در ابتدا به سرعت رشد می نماید و سپس صاف شده و به یک اندازه ثابت، همگرا می گردد. یعنی حیوان در ابتدای سقوط، سرعت بالایی دارد، اما تدریجا مقاومت هوا افزایش پیدا نموده و دیگر سرعت سقوط گربه افزایش نمی یابد. این نتیجه ای است که رت آلن، فیزیکدان دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا به آن دست یافته.

در عین حال می توان حداکثر سرعت گربه را به راحتی محاسبه کرد. از آنجا که سرعت نهایی زمانی حاصل می گردد که نیروی اصطکاک دقیقا به میزان نیروی گرانشی باشد، این دو نیرو یکدیگر را خنثی نموده و یک جسم در حال سقوط با سرعت ثابتی به سمت زمین حرکت خواهد نمود.

به عنوان مثال برای محاسبه حداکثر سرعت سقوط یک گربه، باید مقادیر عددی را برای متغیر ها درج کرد. یک گربه 4 کیلوگرمی با 50 سانتی متر طول و 15 سانتی متر عرض را در نظر بگیرید. سطح مقطع این گربه 0.075 مترمربع و حداکثر سرعت سقوط این گربه 32/68 متر در ثانیه یعنی معادل کمتر از 120 کیلومتر در ساعت خواهد بود.

برای درک اینکه سرعت سقوط گربه در چه ارتفاعی به حداکثر خواهد رسید، می توان با حل معادله دیفرانسیل، سرعت در زمان برخورد را به عنوان تابعی از ارتفاع سقوط محاسبه کرد.

همانطور که در نمودار مشاهده می گردد، گربه ها در سقوط از ارتفاع 100 متری به سرعت 30 متر در ثانیه می رسند. از آنجا که مشاهده شده که گربه ها در سقوط از ساختمان های بلندتر مثل سقوط از طبقه سی و دوم، جان سالم به در می برند، می توان به صورت تئوریک گفت که آن ها می توانند در سقوط با حداکثر سرعت ممکن یعنی 120 کیلومتر در ساعت زنده بمانند. در نتیجه این حیوانات می توانند در تئوری از سقوط از هر ارتفاع قابل تصوری جان سالم به در ببرند.

تاثیر واقعی یا تعصب بقا

ولی محاسبه حداکثر سرعت در سقوط گربه مشاهدات دامپزشکان نیویورکی را توجیه نمی نماید. چرا گربه ها بعد از سقوط از طبقه هفتم یا بالاتر جان سالم به در می برند؟ این شرحی تجربی است:

وقتی گربه ای از ارتفاعی پائین سقوط می نماید، برای مدت زمان کوتاهی بی وزنی را تجربه می نماید. پس به شکل غریزی پاهایش را به سمت پائین دراز می نماید تا بر روی هر چهار پایش فرود بیاید. اما در سقوط از ارتفاع بالا، این استراتژی کارساز نیست: چرا که این اتفاق ممکن است منجر به آسیب دیدگی شدید پا ها گردد؛ چرا که وزن حیوان به طور نامناسبی توزیع خواهد شد.

این تفاوت ممکن است نشان دهد که چرا درصد بقای حیوانات با افزایش ارتفاع سقوط کاهش می یابد. (دست کم تا طبقه هفتم). اما با سقوط از ارتفاعات بالاتر، نیروی اصطکاک در طول زمان سقوط افزایش می یابد. به همین دلیل هم هست که دامپزشکان حدس می زنند که در این شرایط، گربه دیگر سقوط را احساس نمی نماید؛ در نتیجه خونسرد و آرام است و پاهایش را دراز نمی نماید؛ بنابراین به آرامی و با توزیع یکنواخت وزن سقوط نموده و فرود می آید و در نتیجه شانس زنده ماندنش افزایش خواهد یافت.

یک توجیه ساده تر برای این مشاهدات نیز وجود دارد که احتمالا برای دوستداران حیوانات ناامید نماینده است. یافته های دامپزشکان اصطلاحی به نام سوگیری بقا را شرح می دهد. اگر یک گربه از ارتفاعی بلند سقوط کند و بلافاصله بمیرد، احتمالا صاحبش، دیگر گربه را به کلینیک دامپزشکی نخواهد برد. در نتیجه تعداد مرگ های گزارش نشده از سقوط گربه ها، احتمالا به مراتب بیشتر از آن چیزی است که به وسیله متخصصان دامپزشکی ثبت و در آمار محاسبه شده است.