Wenn man eine Katze auf den Kopf stellt, landen die schlauen auf allen Vieren, die dummen jedoch ...

Alle Katzen sind Meister des Parkour. Selbst wenn sie beim Klettern an Wänden oder beim Überfliegen von Dächern versehentlich abstürzen, können sie in den meisten Fällen immer sicher landen. Aus diesem Grund heißt es oft: „Katzen haben neun Leben.“

Obwohl es für Katzen unmöglich ist, tatsächlich neun Leben zu haben, zeigt das Lob der Menschen für Katzen auch, dass Katzen offenbar über besondere Fähigkeiten verfügen. Egal in welche Haltung sie fallen, sie können immer auf allen Vieren landen, sodass sie sich nicht so leicht verletzen.

Kluge Katzen landen immer auf allen Vieren. GIF von | TikTok @Xizi1313

Dumme Katze...

Wie schaffen es Katzen, sicher zu landen? Viele Wissenschaftler haben Interesse an diesem „fallenden Katzen“-Problem bekundet.

Der berühmteste Wissenschaftler unter ihnen ist Maxwell. Dieser englische mathematische Physiker, der als „nur Newton und Einstein unterlegen“ gilt, erzielte nicht nur weltberühmte Leistungen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus, sondern interessierte sich auch sehr für das Problem der fallenden Katze. Nach vielen Versuchen stellte er fest, dass Katzen ihren Körper immer blitzschnell drehen und sicher landen können.

Natürlich waren diese kleinen wissenschaftlichen Experimente, die Maxwell durchführte, nicht streng genug. 1984 erfand der französische Wissenschaftler Marey eine Fotopistole, die in einer Sekunde zwölf Fotos hintereinander aufnehmen konnte.

Dank dieser neuen Kameratechnologie können die Menschen endlich den gesamten Fallvorgang der Katze beobachten: Die Katze, deren Gliedmaßen zum Himmel zeigen, macht in der Luft eine geschickte 180°-Drehung und landet dann sicher.

Der Vorgang des Fallens einer Katze zu Boden, Leserichtung von rechts nach links (Bildquelle: Referenz [1])

Diese schwierige Handlung können wir Menschen nur „ansehen“, für Katzen ist sie jedoch so einfach wie Essen und Trinken. Dies liegt daran, dass ein biologischer Reflex namens „Aufrichtungsreflex“ tief in den Genen der Katze verankert ist.

Menschen, die von einer Klippe stürzen, fallen normalerweise auf den Rücken, ihre Gliedmaßen baumeln in Panik, aber sie können sich nicht bewegen.

Wenn wir auch über diese Fähigkeit verfügten, fürchte ich, dass die Szenen mit dem Absturz in Kampfkunstromanen und Fernsehdramen umgeschrieben werden müssten.

Eine der besonderen Fähigkeiten der Katze: Aufrichtungsreflex ✦

Der Aufrichtungsreflex ist eine angeborene Fähigkeit von Katzen. Im Allgemeinen verfügen Kätzchen im Alter von 3 Wochen über einen ersten Aufrichtungsreflex, und Kätzchen im Alter von 6 bis 9 Wochen beherrschen diese Fähigkeit bereits perfekt.

Gerade aufgrund dieser einzigartigen Fähigkeit sind Katzen in der Lage, das Gesetz der Drehimpulserhaltung in der Luft zu überwinden und ihren Körper augenblicklich aus einer ungünstigen Haltung in eine sichere Landeposition zu bringen, bei der alle vier Beine nach unten zeigen.

Was ist also die Erhaltung des Drehimpulses?

Einfach ausgedrückt ist der Drehimpuls eine physikalische Größe, die zur Beschreibung des Rotationszustands eines Objekts verwendet wird und mit der Rotationsgeschwindigkeit und dem Rotationsradius zusammenhängt. Je schneller sich ein Objekt dreht und je größer sein Rotationsradius ist, desto größer ist sein Drehimpuls.

Die Erhaltung des Drehimpulses bedeutet, dass ein Objekt, wenn es sich in einem stabilen Rotationszustand oder einem stationären Zustand befindet, ohne die Hilfe äußerer Kräfte weiter rotiert oder stationär bleibt, d. h. der Drehimpuls bleibt immer unverändert.

Katzen haben am ganzen Körper Hunderte von Knochen und Muskelgewebe und können jeden Teil ihres Körpers gut kontrollieren. Daher können Katzen ihren Körper flexibel in der Luft drehen und sich auf den schwachen Luftwiderstand und die Schwerkraft verlassen, um den Aufrichtungsreflex erfolgreich abzuschließen und die Beschränkungen der Drehimpulserhaltung zu überwinden.

Im Jahr 1969 lieferte der Stanford-Physiker Kane eine überzeugende Erklärung des Prinzips des Aufrichtungsreflexes von Katzen.

Der Ablauf des Aufrichtungsreflexes einer Katze (Bildquelle: Referenz [2])

Er unterteilte den Aufrichtungsreflex der Katze in drei Schritte:

Der erste Schritt besteht darin, den Körper zu beugen

Wenn eine Katze zum ersten Mal auf den Rücken fällt, versucht sie, ihren Körper so weit wie möglich zu krümmen.

Betrachtet man die Katze als Ganzes, kann sie sich nicht in der Luft drehen; Betrachtet man aber Vorder- und Rückseite des Katzenkörpers als zwei unabhängig voneinander drehbare Teile, so ergibt sich ein großer Bewegungsspielraum.

Schritt 2: Passen Sie die Richtung der Vorderbeine an

Katzen passen die Richtung ihrer Vorderbeine durch Drehen ihrer Beine an. Beim Drehen drehen sich Vorder- und Rückseite des Körpers in entgegengesetzte Richtungen. Gleichzeitig versuchen Katzen, ihre Vorderbeine einzuziehen und ihre Hinterbeine zu strecken.

Gemäß dem Gesetz der Drehimpulserhaltung verringert sich der Rotationsradius der vorderen Körperhälfte, die Rotationsgeschwindigkeit nimmt zu und die Rotation wird leichter; während der Rotationsradius der hinteren Hälfte zunimmt, nimmt die Rotationsgeschwindigkeit ab und die Rotation wird schwieriger.

Auf diese Weise hat sich die hintere Körperhälfte der Katze nur um etwa 10° in die entgegengesetzte Richtung gedreht, obwohl sich die vordere Körperhälfte um fast 180° gedreht hat.

Dadurch können Sie die vordere Hälfte Ihres Körpers in eine Position bringen, in der Ihre Vorderbeine nach unten zeigen, während die hintere Hälfte Ihres Körpers nahezu unverändert bleibt. Bei diesem Vorgang heben sich die Drehimpulse der Vorder- und Rückseite des Körpers gegenseitig auf und der Drehimpulserhaltungssatz bleibt bestehen.

Schritt 3: Passen Sie die Richtung der Hinterbeine an

Die Katze dreht dann ihren Körper in die entgegengesetzte Richtung, streckt ihre Vorderbeine so weit wie möglich und zieht ihre Hinterbeine zusammen, sodass sich die hintere Hälfte ihres Körpers leichter drehen lässt als die vordere.

Dadurch kann die hintere Hälfte in eine Position mit abgesenkten Hinterbeinen bewegt werden, während die vordere Körperhälfte nahezu still bleibt.

Kurz gesagt: Katzen nutzen ihre starke Kontrolle über ihre Muskeln und Knochen, um ihren Körper in zwei verschiedene Bewegungseinheiten zu „zerlegen“.

Die beiden Bewegungseinheiten können gleichzeitig Drehbewegungen in entgegengesetzte Richtungen ausführen, wodurch sichergestellt werden kann, dass der Drehimpuls unverändert bleibt, während der Körper in eine Haltung gebracht wird, in der alle vier Gliedmaßen nach unten zeigen.

Bewegungszerlegung des fallenden Katzenprozesses (Quelle: Referenz [3])

Die Wissenschaftler stellten in der Studie außerdem fest, dass Katzen im Zustand der Schwerelosigkeit ihren Körper nicht reibungslos drehen können, was darauf hindeutet, dass die Schwerkraft eine wichtige Rolle bei der Durchführung des Aufrichtungsreflexes spielt.

Das Katzenfallexperiment der NASA (Quelle: Wikipedia)

Schließlich gibt es in einer schwerelosen Umgebung kein Konzept von „Boden“.

Katzen-Spezialfähigkeit 2: Gliedmaßen und Rumpf, die den Aufprall effektiv abfedern können ✦

Können Sie Ihren Körper einfach in der Luft drehen und sicher landen? Nein, nein, nein, Katzen haben noch einen weiteren Trick auf Lager: Sie nutzen die Bewegung ihrer Gliedmaßen, um den Aufprall beim Fallen abzubremsen und eine effiziente Dämpfung zu erreichen.

Die Gliedmaßen einer Katze sind wie eine Reihe flexibler mechanischer Verbindungsstrukturen, die sich stabil und schnell falten und strecken lassen. Die gut entwickelten Muskeln wirken wie Dämpfer und Dämpfungselemente und bieten dem Rumpf der Katze starken Halt und Polsterung.

Der Aufbau des Oberschenkels einer Katze (Bildquelle: Referenz [4])

Katzen verfügen über eine sehr effiziente Landeabfederung und können sich so wirksam vor Aufprallschäden schützen. Eine ähnliche Methode verwenden auch Parkour-Meister beim Springen aus großer Höhe, indem sie beim Landen die Beine beugen, um die Aufprallkraft zu verringern.

Allerdings müssen sie anschließend auf dem Boden rollen, um die kinetische Energie des Sturzes vollständig abbauen zu können.

Rollover-Puffer

Die Forscher haben außerdem eine bionische Dämpfungsvorrichtung für die Landung von Raumfahrzeugen entwickelt, die auf der Oberschenkelstruktur von Katzen basiert und eine sichere Landung des Raumfahrzeugs ermöglichen soll.

Bionische Landehalterung für Raumfahrzeuge (Bildquelle: Referenz [4])

Einzigartige Fähigkeit der Katze 3: Exquisit strukturierte Katzenpfoten ✦

Die Ballen an den Pfoten einer Katze sind nicht nur dick, sondern fühlen sich auch weich und elastisch an. Dies ist hauptsächlich auf das Vorhandensein einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur aus Kollagenfasern und elastischen Fasern in den Fleischpolstern zurückzuführen, und die Hohlräume dieser Netzwerkstrukturen sind mit einer großen Menge Fett gefüllt.

Die Mikrostruktur einer Katzenpfote und ihre entsprechende vereinfachte Struktur (Quelle: Referenz [5])

Diese ausgeklügelte Katzenpfotenstruktur eignet sich sehr gut zur Dämpfung und Energieabsorption: Das Netzskelett kann stabilen Halt bieten, wenn die Pfote den Boden berührt, sodass die Katze den Boden fest im Griff hat; die Reibung zwischen dem Maschenskelett kann einen Teil der Aufprallkraft verbrauchen; und die weichen und elastischen Fettpartikel können für Polsterung sorgen.

Daher kann diese einzigartige Funktion der Katzenpfoten Katzen dabei helfen, sicher zu landen. Wissenschaftler haben außerdem ein bionisches Katzenpfoten-Verbundmaterial entwickelt, das auf der mehrschichtigen Struktur der Katzenpfote basiert.

Mikrostruktur eines künstlichen bionischen Katzenpfotenmaterials (Quelle: Referenz [5])

Gerade aufgrund dieser drei Fähigkeiten können Katzen Verletzungen oder den Tod bei versehentlichen Stürzen vermeiden.

Dennoch sind Katzen gegenüber Menschen letztlich zerbrechliche Wesen. Bitte denken Sie jeden Tag daran, dass sie uns begleiten. Wenn Sie eine Katze halten, seien Sie von Anfang bis Ende liebevoll zu ihr, behandeln Sie sie sanft und lassen Sie sie nicht im Stich oder misshandeln Sie sie. Ich kann nur empfehlen, zu adoptieren, statt zu kaufen!

Würde eine Katze, wenn sie keinen Schwanz hätte, trotzdem auf allen Vieren landen, wenn sie hinfällt? ↓ ↓

Quellen:

[1] Fotografien einer taumelnden Katze. Nature 51, 80–81 (1894) doi:10.1038/051080a0

[2] Wie fällt eine Katze auf ihre Füße?, The New Scientist, Bd. 7, Nr. 189 (1960), S. 1647–1649.

[3] TR Kane & MP Scher, Abteilung für Angewandte Mechanik. Stanford University, Kalifornien, „Eine dynamische Erklärung des fallenden Katzenphänomens“, Int. J. Festkörperstrukturen. 1969. Bd. 5. S. 663 bis 670

[4] Yuan Yingnan. Forschung an einem neuen Konzept für eine bemannte Mondlandefähre auf der Basis katzenartiger Beine[D]. Universität für Luft- und Raumfahrt Nanjing, 2020.

[5] Wenjiang Lu, et al. Hierarchische Netzwerkstrukturverbunde für außergewöhnliche Energieableitung, inspiriert von der Katzenpfote[J]. Angewandte Materialien heute. 2021: 101222.

ENDE

Rezensionsexperte: Ran Hao, bekannter populärwissenschaftlicher Autor.

Tadpole Musical Notation Originalartikel, bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle an

Herausgeber/Xiao Xitushuo