Марк Абрахамс - Это невероятно! Открытия, достойные Игнобелевской премии

Seim Ch. E. (1956) «Stress Analysis of Strapless Evening Gown», The Indicator, November.

Пока другие пытались создать новую модель компьютера, чайника или мышеловки, Джулиан Ф. В. Винсент, Мехмет Нэсип Сахинкая и У. О’Шеа с инженерного факультета Университета Бата решали задачу усовершенствования молотка. Не в пример предшественникам, они решили первым делом основательно изучить дятлов. Почему именно дятлов? Потому, что в картине мира инженера-конструктора дятел — это идеальный молоток, созданный самой природой.

Статью «Дятел как молоток» трое авторов опубликовали в научном журнале с длинным названием Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science.

Начали они с реверанса в сторону удостоенного Игнобелевской премии исследования доктора Ивана Шваба из Школы медицины Университета Калифорнии в Дэвисе. В 2002 году Шваб написал работу о том, почему у дятла не болит голова. Механические свойства птичьей головы поразили Шваба. Мозг птицы не превращается в кашу во время долбления, а глаза не выпадают из орбит — настоящее чудо. Команда из Университета Бата решила смотреть на вещи шире: тело птицы — единое целое, и все в дятле, от хохолка до лап — перья в том числе! — по-разному служит главной его задаче: эффективно долбить дерево.

Рентгеновский снимок дятла, сбитого автомобилем (вверху), схематический чертеж дятла за работой (внизу).

Винсент, Сахинкая и О’Шеа тщательно обследовали зеленого дятла (Picus viridis), сбитого автомобилем и подобранного уже мертвым. Птичьи останки изучили всеми возможными традиционными методами, а также сделали рентгеновский снимок. Целью было установить массу головы и массу тела, а также выяснить, каковы у этого тела пропорции. У ученых имелась также видеозапись, на которой живой и здоровый дятел, похожий размерами на покойного, долбит клювом дерево. Все это вместе взятое позволило оценить силы инерции, действующие на голову и на туловище, упругость шеи, содержание воды в ее тканях, а также упругость тела как целого. Были выведены уравнения, описывающие движения дятла во всех фазах долбления. Чтобы математическая часть задачи не стала неподъемной, авторы решились на несколько огрублений, с инженерной точки зрения вполне оправданных. Допустим, позвонки и шейные сухожилия дятла — это пружина. А дерево — не что иное, как жесткая пружина с демпфером.

В исследовании с гордостью сообщается, какую пользу из него следует извлечь: «Одна из причин изучать дятла — разработка легкого молотка. Было отмечено, что дятел — птица, способная летать, поэтому он должен иметь максимально легкую конструкцию тела. Физический механизм, который создала эволюция для решения проблемы, — перенос импульса с тела на голову дятла — и был использован в дизайне нового молотка, где вращающийся элемент соединен стержнем с кожухом, так что мотор вместе с корпусом колеблется относительно центральной оси».

Винсент, Сахинкая и О’Шеа говорят, что изначально их молоток предназначался для использования в космосе, «где никакой инерции нет до момента, когда инструмент соприкоснется с объектом». Но первым делом, уверены авторы, их изобретение должны взять на вооружение зубные врачи.

Vincent J. F. V., Sahinkaya M. N., O Shea W. (2007). A Woodpecker Hammer. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science 221 (10): 1141-7.

Коты могут красться, а могут падать, — но что бы они ни делали, коты обязаны подчиняться законам физики. Ученые не раз пытались узнать, как же им это удается.

Самые отчаянные головы выясняли, что происходит, если кота бросить с высоты. Кот в падении, кот перед неизбежным столкновением с землей — что, спрашивается, мешает ему разбиться? Одна только кошачья хитрость.

В 1969 году Т. Р. Кейн и М. П. Шер из Стэнфордского университета (США) опубликовали труд «Динамическое объяснение феномена падающей кошки». До сих пор он остается одной из немногих посвященных кошкам работ, опубликованных в Journal of Solids and Structures («Журнал о твердых телах и структурах»). Кейн и Шер объясняют: «Хорошо известно, что падающие коты обычно приземляются на лапы, даже если бросить покоящегося кота вверх тормашками. Были предприняты многочисленные попытки найти какую-нибудь достаточно простую механическую систему, которую законы динамики вынуждали бы повторять характерные движения кота в полете. Настоящая работа — пример такой попытки».

И что это за пример!

Ронять и поднимать котов Кейн и Шер не стали. Вместо этого они построили абстрактную математическую модель кота: два цилиндра (слегка неправильных) соединяются в одной точке таким образом, чтобы вся конструкция гнулась, но не скручивалась — как кошачий позвоночник. Когда на компьютере смоделировали падение этого теоретического кота, движения его напоминали те, что исследователи могли видеть на серии фотографий, запечатлевших падение с крыши настоящего кота. Ученые сделали вывод: их теория «объясняет рассматриваемый феномен».

В 1993 году профессор Ричард Монтгомери из Университета Калифорнии в городе Санта-Круз нанес по старой проблеме новый сокрушительный удар при помощи бронебойного матаппарата современной физики. Его статья «Калибровочная теория падающего кота» занимает целых 26 страниц в серьезном математическом журнале. В финале с неудовольствием отмечается, что «оригинальные решения Кейна и Шера являются одновременно наилучшими и простейшими».

Однако коты редко сваливаются на кого-нибудь. Чаще всего они куда-нибудь крадутся. Крадутся по земле. И крадущиеся коты способны пленить физика ничуть не меньше, чем коты летящие.

Кристина Бишоп из Университета Калифорнии в Дэвисе вместе с Анитой Пай и Дэниэлом Шмидтом из Университета Дьюка в Северной Каролине в 2008 году отправили в научный онлайн-журнал PLoS ONE статью «Крадущийся кот: механика движений всего тела».

Объектом исследования стали шестеро котов, трое из которых «были частично обриты и помечены яркой нетоксичной краской, чтобы облегчить кинематический анализ». Была обнаружена «прежде неизвестная механическая связь» между «согнутыми положениями тела», «изменениями характера постановки лапы» и энергозатратами организма на все эти изгибы и движения лап.

По мнению Бишопа, Пай и Шмидта, котов, намеренных красться, серьезно ограничивают физические законы мироустройства. Им приходится выбирать между «крадущейся походкой», на которую тратится слишком много энергии, и старой доброй энергоэффективной ходьбой.

Kane T. R., Scher M. P. (1969). A Dynamical Explanation of the Falling Cat Phenomenon. International Journal of Solids and Structures 5: 663-70.