고양이가 발로 착지하는 이유는 무엇입니까? 물리학은 설명한다

밝혀진 바에 따르면, 고양이는 적어도 이론상으로는 어떤 높이에서든 떨어져도 살아남을 수 있습니다.

2018년 뉴욕시에서는 고양이 한 마리가 32층 아파트 창문에서 단단한 아스팔트 위로 떨어져 살아남았다고 합니다. 폐허탈과 부러진 치아를 치료한 수의사에게 이틀 동안 머물렀던 네발 달린 친구는 집으로 돌아올 수 있었습니다. 다른 유사한 상황으로 인해 고양이의 목숨이 9개라는 속담이 생겼을 가능성이 높습니다. 수십 년 동안 다양한 분야의 연구자들은 그들의 놀라운 생존 기술을 이해하려고 노력해 왔습니다.

그러나 19세기 말 물리학자들을 처음으로 당황하게 만든 것은 동물들이 아찔한 높이에서 떨어지는 것이 아니었습니다. 대신 전문가들은 넘어지면서 발로 착지하면서 자체 축을 중심으로 회전하는 고양이의 사진을 보고 당황했습니다. 당시 사진에는 고양이의 등이 땅을 향하도록 다리를 잡고 있는 사람의 모습이 담겨 있다. 그런 다음 동물이 풀려납니다. 처음에 고양이는 등이 땅을 향한 채 공중에 거꾸로 떠 있습니다. 그러나 다음 장면에서는 물리학 법칙을 거스르는 것처럼 보이는 일이 발생합니다. 고양이가 돌아서 발로 착지하는 것입니다.

물론 사람들은 일상적인 관찰을 통해 이 네 발 달린 동물이 공중에서 회전할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 그들은 그들이 떨어지는 표면에서 밀어냄으로써 이 운동에 필요한 추진력을 얻는다고 가정했습니다. 각운동량 보존 법칙에 따르면, 회전하지 않는 물체가 외부 영향 없이 갑자기 회전하는 것은 불가능하기 때문입니다. 그러나 그것이 바로 사진이 보여주는 것입니다. 처음에는 고양이가 똑바로 넘어집니다. 그런 다음 자체 축을 중심으로 회전합니다. 그게 어떻게 가능합니까?

이 현상은 전자기학 연구로 유명한 물리학자 James Clerk Maxwell을 포함한 많은 과학자들을 사로잡았습니다. 그는 다양한 높이(열린 창문 포함)와 침대 및 테이블 위에 고양이를 떨어뜨리는 몇 가지 실험을 수행했습니다. 그러나 1969년이 되어서야 '떨어지는 고양이 문제'가 해결되었습니다. 알고 보니 고양이의 몸은 충분히 주의 깊게 고려되지 않았습니다. 그것은 마술처럼 회전하기 시작하는 단순한 원통형 물체가 아닙니다. 자세히 보면 고양이의 상체와 하체가 반대 방향으로 회전하는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 각운동량의 보존이 유지됩니다. 동물이 페퍼밀처럼 서로 다른 두 방향으로 회전하면 각운동량의 변화는 0입니다.

그런데 고양이는 어떻게 발로 착지할 수 있을까요? 이를 위해 고양이는 고전 역학의 물리적 법칙을 활용합니다. 앞발을 몸에 가깝게 배치하여 관성 모멘트를 줄입니다. 피겨 스케이터처럼 그들의 상체는 자체 축을 중심으로 빠르게 회전합니다. 뒷다리를 사용하여 동물은 반대 효과를 사용합니다. 그들은 가능한 한 큰 관성 모멘트를 만들기 위해 다리를 쭉 뻗습니다. 결과적으로 상체는 큰 각도로 회전하는 반면 다리는 반대 방향으로 덜 회전합니다. 동물의 척추가 매우 유연하여 이러한 움직임이 가능합니다. 이제 상체가 올바른 위치에 있으면(즉, 머리가 땅 위에 수직으로 정렬됨) 고양이는 앞발을 뻗고 뒷다리를 조이고 반대 방향으로 페퍼밀 같은 움직임을 수행하여 뒷발이 땅 위에도 정렬되어 있습니다. 이러한 방식으로 동물은 모든 물리 법칙에 따라 항상 네 발로 착지할 수 있습니다.

물리 법칙에 따르면 낙하 높이가 높을수록 충격이 더 강해집니다. 그러나 1980년대 연구에서는 적어도 고양이에 대해서는 다른 그림을 그렸습니다. 두 명의 뉴욕시 수의사는 1984년 6월부터 11월까지 고양이가 고층 건물 32층 높이에서 떨어진 총 132건의 사례를 설명했습니다. 전체적으로 고양이의 90%가 살아남았습니다. 수의사가 부상을 기록했을 때 그들은 놀라운 관찰을 했습니다. 손상의 심각성은 약 7층 높이까지 증가했지만 그 이후에는 감소하는 것처럼 보였습니다. 즉, 11층에서 떨어지는 것이 6층에서 떨어지는 것보다 고양이에게 더 부드럽게 끝날 수 있다는 뜻입니다.