Die seltsamen Aktivitäten der Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts – Der Verlust von Katzen

Im Laufe der Entwicklung der modernen Physik gibt es ein Tier, das bei Wissenschaftlern eine besondere Liebe findet. Ob als Haustier oder als Versuchsobjekt, es ist faszinierend. Dieses Tier ist die Katze.

So warf beispielsweise der berühmte Katzenquäler Erwin Schrödinger durch seine Beurteilung des Zustands der Katze in der Kiste Fragen zur Überlagerung von Leben und Tod auf, was zu dem berühmten Denkexperiment der Quantenmechanik – „Schrödingers Katze“ – führte.

Ab dem 19. Jahrhundert tauchte in manchen wissenschaftlichen Kreisen eine seltsame Aktivität auf: das Verlieren von Katzen.

Zu dieser Zeit versuchten einige berühmte theoretische Physiker, Katzen aus verschiedenen Höhen fallen zu lassen, wie beispielsweise James Clerk Maxwell, ja, der Maxwell, der die Maxwell-Gleichungen vorschlug.

Als Maxwell am Trinity College in Cambridge war, entdeckte er, dass Katzen nach einem Sturz aus großer Höhe immer zuerst auf ihren Pfoten landen, selbst wenn sie auf den Rücken fallen.

Dieses „seltsame Phänomen“ erregte seine Aufmerksamkeit, da gemäß dem ersten Newtonschen Gesetz ein stationärer Gegenstand unter idealen Umständen stationär bleibt, sofern keine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Beim Fallen aus großer Höhe wird die Katze jedoch keiner äußeren Kraft ausgesetzt. Wie bewegt sie sich also in der Luft?

Um die Ursache herauszufinden, führte Maxwell mehrere Experimente mit Katzenkot durch. Aufgrund der eingeschränkten Beobachtungsgabe des menschlichen Auges konnte er jedoch nur grob schätzen, dass die Pfoten einer Katze bei einem Fall aus einer Höhe von weniger als fünf Zentimetern nicht zuerst den Boden berühren würden (später führten Wissenschaftler weitere Untersuchungen durch und fanden heraus, dass die Höhe 30 Zentimeter betragen müsse, um die Sicherheit der Katze zu gewährleisten).

Erst Jahrzehnte später, mit dem Aufkommen der Zeitrafferfotografie, gelang es Wissenschaftlern, den Vorgang des Fallens einer Katze auf intuitivere Weise zu analysieren.

Im Jahr 1882 erfand der französische Wissenschaftler und Fotograf Etienne-Jules Marey eine Fotopistole, die 12 Bilder pro Sekunde aufnehmen konnte, woraus das berühmte Foto unten entstand.

Richtung von rechts nach links

Zuvor war die gängigere Theorie, dass die Katze die Hand der Person, die sie warf, als Hebel benutzte, um den Überschlag zu vollenden.

Doch wie man auf diesem Foto sehen kann, rotierte die Katze zu Beginn ihres Abstiegs nicht, sondern gewann während ihres freien Falls irgendwie an Drehimpuls. Mare glaubte, dass die Katze die Trägheit ihrer eigenen Masse nutzte, um ihren Körper umzudrehen.

Erstens wirkt die durch die Kontraktion der Rückenmuskulatur der Katze erzeugte Kraft auf die Vorderpfoten. Zu diesem Zeitpunkt sind die Vorderfüße verkürzt und drücken auf den Hals, sodass das Trägheitsmoment der Vorderfüße sehr gering ist. Zudem werden die Hinterbeine beim Fallen gestreckt und stehen nahezu senkrecht zur Körperachse, wodurch ein weiteres Trägheitsmoment entsteht, dessen Drehrichtung allerdings entgegengesetzt zur vorherigen ist. In der zweiten Phase der Bewegung sind die Zustände der Vorder- und Hinterfüße entgegengesetzt und die Trägheit des Vorderfußes bietet einen Drehpunkt für die Drehung des Hinterbeins.

——Zitat aus der Zusammenfassung von Mareys Artikel auf Wikipedia

Obwohl Mares Erklärung grundsätzlich mit der Körperhaltung übereinstimmt, die er beim Aufnehmen der Fotos gezeigt hat. Allerdings sind noch immer viele Physiker anderer Meinung. Der Hauptgrund hierfür liegt im Konzept der „Erhaltung des Drehimpulses“ in der Physik.

Das Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses ist eines der universellen Gesetze der Physik und spiegelt das universelle Gesetz der Bewegung von Teilchen und Teilchensystemen um einen Punkt oder eine Achse wider. Es spiegelt das universelle Gesetz der Bewegung von Teilchen und Teilchensystemen um einen festen Punkt (oder eine feste Achse) wider, wenn auf sie keine äußeren Kräfte einwirken oder wenn das resultierende Drehmoment der äußeren Kräfte auf den Punkt (oder die Achse) immer gleich Null ist.

Wenn eine Katze ihren Drehimpuls beibehalten möchte, wenn sie sich in der Luft umdreht, glaubten die Physiker damals, dass die Hinterbeine der Katze nach oben klappen müssten, wenn die Vorderbeine nach unten klappen, sodass sich ihre Drehimpulse gegenseitig aufheben würden . Bei den mittels Hochgeschwindigkeitsfotografie aufgenommenen Bildern war dies allerdings nicht der Fall.

Später schlug jemand vor, dass der Drehimpuls, der durch den Schwanz der Katze beim Fallen erzeugt wird, den Drehimpuls ausgleicht, der durch den vorderen Körper erzeugt wird. Diese Erklärung passt besser zu Mares Foto.

Leider bekamen sie später erneut eine Ohrfeige. Jemand hat ein Experiment mit schwanzlosen Katzen durchgeführt und festgestellt, dass auch diese die Aktion ausführen konnten, was zeigt, dass der Schwanz keine große Hilfe ist.

Das Rätsel wurde erst 1969 gelöst, als die angewandten Physiker Kane und Scheer von der Stanford University eine Arbeit mit dem Titel „Eine dynamische Erklärung des Falling-Cat-Phänomens“ veröffentlichten.

Sie teilten die Katze in eine Vorder- und eine Hinterhälfte und untersuchten sie anhand eines Zylinders, wodurch ein neues physikalisches Modell entstand.

Einfach ausgedrückt: Wenn eine Katze aus großer Höhe fällt, erkennt zunächst die Gleichgewichtsstruktur in ihrem Innenohr die Richtung. Sie beugen dann ihren Körper in eine gekrümmte Position, sodass die vordere und hintere Hälfte ihres Körpers um unterschiedliche Achsen rotieren.

Zusammen mit der Achse parallel zum Katzenkörper bildet es den Drehimpuls eines Vektordreiecks, das ebenfalls dem Drehimpulserhaltungssatz gehorcht.

Interessanterweise hatten die Physiker damals nicht damit gerechnet, dass die Struktur der Katze so besonders sein würde, dass sie durch die Krümmung ihrer Taille die Erhaltung des Drehimpulses erreichen könnte. Daher wählten sie Achsen parallel und senkrecht zur Katze, um ein Koordinatensystem zu erstellen. In diesem Fall wurde der Drehimpulserhaltungssatz offensichtlich verletzt.

Schließlich ist Spielen Spielen, Zuschauen ist Zuschauen. Versuchen Sie jedoch bitte nicht, das Katzenwurf-Experiment leichtfertig durchzuführen, da sich die Katze trotzdem verletzen könnte. Einer 1987 im Journal of the American Veterinary Medical Association veröffentlichten Studie zufolge nahm die Schwere der Verletzungen pro Katze mit der Höhe zu. Schließlich ist die Schwerkraft kein Witz.