Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Известно, что некоторые виды жуков (такие как Eucnemidae — древоеды) в случае, когда они приземляются на спину, выгибают свое тело, запасая упругую энергию, а затем взрывным движением высвобождают ее в прыжке, нацеленном на возвращение в нормальное положение. Другие виды, такие как Histeridae [карапузики], раскрывают свои надкрылья (твердую защиту крыльев) в полетное положение, опираясь ими на землю, а затем резко захлопывают их, что опять же дает прыжок, позволяющий вернуться в нормальное положение^{24}.

В каком-то смысле этот последний метод — дубль, двойная попытка: если жук приземляется на спину, он подбрасывает себя обратно в воздух и пытается приземлиться заново, уже в правильном положении.

Некоторые насекомые благодаря малой массе не нуждаются, судя по всему, в стратегии возвращения в нормальное положение. Исследования на личинках палочников показывают, что им, чтобы перевернуться, достаточно одних только аэродинамических сил; по существу, «ветер», который они чувствуют в падении, их и переворачивает^{25}. Замечательно, что это явление очень похоже на то, что предлагал Антуан Паран в 1700 г. в качестве способа переворачивания для кошек. Хотя для кошек этот способ не годится, переворачивание некоторых видов насекомых он, по всей вероятности, описывает точно.

Другим животным анатомия позволяет использовать гораздо более простые стратегии переворачивания. Поскольку ящерица, к примеру, обладает хвостом, размер которого сравним с размером ее тела, она, чтобы перевернуть тело, может использовать стратегию «хвоста-пропеллера», которую первым предложил Джузеппе Пеано. В 2008 г. исследователи из Университета Калифорнии в Беркли проанализировали переворачивание плоскохвостого геккона Hemidactylus platyurus, чтобы создать на основе биотехнологий самопереворачивающуюся роботизированную ящерицу. Они построили прототип того же размера и формы, что и лазающий по стенам робот-геккон 2007 г. Результат получился убедительный: робот-прототип переворачивался на 180° за 0,3 с, в полном соответствии с моделью; такой скорости вполне достаточно для большинства ситуаций переворачивания^{26}.

Эти существа — и роботы, созданные по их подобию, — могут пользоваться хвостом также и для управления в полете. В статье с величайшим, возможно, заголовком всех времен «Управление тангажем при помощи хвоста у ящериц, роботов и динозавров» (Tail-Assisted Pitch Control in Lizards, Robots and Dinosaurs) группа исследователей из Беркли изучила прыжки ящериц агама и использовала полученные данные для повышения стабильности прыжков роботов^{27}. Робот, стартующий с платформы в стиле сериала «Придурки из Хаззарда», приземлится, скорее всего, головой вниз, потому что сила тяжести начинает тянуть переднюю часть робота, прежде чем его спина полностью покинет платформу. Однако, резко задрав хвост, робот (или ящерица) поднимает переднюю часть тела — опять же по закону сохранения момента импульса — и спокойно приземляется на живот. Кроме того, исследователи взяли свои результаты и палеонтологические данные, чтобы порассуждать об управлении тангажем у печально известного по кинематографу динозавра велоцираптора. Они отметили: «Несмотря на высказанные прежде предположения об ограничениях пассивных хвостов, небольшие тероподы с активными хвостами, такие как велоцираптор, возможно, были способны на воздушную акробатику даже более высокого класса, чем та, которую демонстрируют нынешние древесные ящерицы». Если велоцирапторы вас уже не пугают, представьте, что они преследуют свою добычу, как ловкие акробаты-паркурщики.

Хотя кошачий хвост в подобных маневрах куда менее эффективен, чем хвост ящерицы, экспериментальные исследования показали, что кошка тоже пользуется хвостом для равновесия^{28}. Здесь вновь на сцену выходит высокоскоростная фотосъемка. Ученые снимали кошек, идущих по узкой балке, которую внезапно сдвигают в сторону. Видеосъемка показывает, что кошки при этом делают взмах хвостом, пытаясь уравновесить неожиданное движение.