Ein Physiker und seine Katze „enthüllen“ die Bewegungsgleichung der Katze

Im Zeitalter der sozialen Medien besteht kaum noch ein Zweifel daran, wer der Star im Tierreich ist. Katzen dominieren die Bildschirme, genau wie ihre Cousins, die Löwen, die Savanne dominieren. Dank Erwin Schrödinger nimmt diese Katze auch in der Geschichte der Physik einen Ehrenplatz ein. Und es war die Katze Eme, die Anxo Biasi, einen Forscher am Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), dazu inspirierte, einen Artikel im zu veröffentlichen Amerikanisches Journal für Physik.

In diesem Artikel stellt Anxo die Bewegungsgleichung der Katze vor. „Dieser Artikel zielt darauf ab, die Physik Laien näher zu bringen, indem er ein schönes Beispiel bietet, anhand dessen es möglich ist, mehrere Konzepte der klassischen Mechanik zu verstehen. Dazu konstruieren wir eine Gleichung, die das Verhalten einer Katze in Gegenwart von a modelliert „Wir betrachten den ersten als ein Punktteilchen, das sich in einem vom Menschen induzierten Potential bewegt“, fasst er zusammen.

Physik mit Katzen erklären

Anxo ist kürzlich IGFAE beigetreten, einem gemeinsamen Zentrum der Universität Santiago de Compostela (USC) und der Regionalregierung von Galizien (Spanien), über das Junior-Leader-Programm von La Caixa der Fakultät für Physik der École Normale Supérieure in Paris.

Am IGFAE, wo er bereits seine Doktorarbeit abgeschlossen hat, wird er seinen Forschungsschwerpunkt auf nichtlinearen Evolutionsgleichungen an der Schnittstelle von Physik und Mathematik ausbauen, indem er die Stringtheorie und verwandte Gebiete verbindet.

Die Idee zu diesem Artikel entstand, weil „die Physik auf spielerische Weise kommuniziert und für die Schüler spannender gemacht werden soll“, sagt er. So nahm das, was gewissermaßen wie ein Witz schien, nach und nach eine akademische Form an.

„Es begann als lustige Idee für den Fool’s Day, inspiriert von den lustigen Artikeln einiger Forscher. Allerdings wurde mir bald klar, dass diese von mir erstellte Geschichte für Schüler im Sportunterricht eine große Hilfe sein könnte. Die Geschichte ist konzeptionell sehr aufwändig, aber sie stellt spielerisch anhand eines Beispiels vor, das große Neugier weckt: einer Katze!

Und wie ist die Bewegungsgleichung für die Katze aufgebaut?

Anxo beginnt mit sieben Dynamiken oder Mustern, die aus seiner täglichen Erfahrung mit Eme stammen, und verwendet die Hypothese, dass „Katzen sich so verhalten, als würden sie eine Kraft um einen Menschen herum wahrnehmen.“

Daher behauptet der Artikel, dass die sieben oben genannten Dynamiken in erster Näherung modelliert werden können, indem man die Katze als ein Punktteilchen betrachtet, das der Newtonschen Mechanik gehorcht.

Die Katze erfährt eine „Kraft“, die mit einem externen Potenzial verbunden ist (induziert durch die Anwesenheit einer Person), wobei x

Anhand dieser Formel und durch die Analyse der Katzenbewegung lässt sich zeigen, wie die Gleichungen selbst aufgebaut sind.

„Die Arbeit demonstriert auf spielerische Weise den mentalen Prozess, der bei der Konstruktion physischer Modelle verfolgt wird, der in Büchern selten detailliert beschrieben wird. Beispielsweise werden Bewegungsmuster (oder Nichtbewegungen) analysiert, die aus der Tatsache abgeleitet werden, dass Katzen dazu neigen, nicht zu kommen, wenn.“ werden angerufen, lassen sich leicht ablenken oder bleiben tendenziell länger auf dem Schoß ihres Lieblingsmenschen.

All diese Berechnungen werden auf ansprechende und unterhaltsame Weise angegangen. „Wir müssen uns nicht immer mit den tiefsten und schwierigsten Geheimnissen des Universums auseinandersetzen. Manchmal können wir uns einfach entspannen und die Kraft der Physik nutzen, um den Alltag zu erklären: Das ist wirklich lustig“, sagte Anxo.

Auf diese Weise „bringt das Katze-Mensch-Interaktionsmodell die Physik Laien näher und demonstriert anhand einer seltsamen und vertrauten Situation die Gründe für die Konstruktion physikalischer Modelle“, fasst er zusammen.

Analyse von Surren und Zoomen

Der Artikel konzentriert sich auf die Analyse des charakteristischen Schnurrens bei Katzen. Seiner Ansicht nach handelt es sich bei dieser Reaktion um einen stabilisierenden Mechanismus, der durch die Interaktion zwischen der Katze und ihrem menschlichen Begleiter angetrieben wird.

„Es wird vermutet, dass Menschen, wenn eine Katze gestreichelt wird und zu schnurren beginnt, den Drang verspüren, sie weiter zu streicheln, was die Stabilität des Prozesses stärkt.“

Diese Stabilisierung wird auch dadurch verstärkt, dass der Austausch von Zärtlichkeiten zwischen Schnurren und Streicheln die Bindung zwischen Katze und Mensch vorübergehend stärkt.

Die Studie berücksichtigt auch Perioden hektischer zufälliger Aktivität, sogenannte FRAPs oder „Zoomies“, in denen sich Katzen mit voller Geschwindigkeit von einem Ort zum anderen bewegen, normalerweise nachts. Der Artikel erklärt, wie die Gleichung in diesem Fall eine Zufallskomponente zur Modellierung dieser Perioden benötigt, die als externer „Antrieb“ in die Formel integriert wird. Dies verleiht der Modellierung dieser „Explosionen“ von Katzen ein wenig Zufälligkeit, die bis zu einem gewissen Grad an die Besonderheiten jeder Person angepasst werden könnte.

Pädagogische Verwendung

Zusätzlich zu seinem spielerischen Ansatz betont Anxo, dass dieser Artikel „zur Verwendung in Einführungskursen in die klassische Mechanik gedacht ist, um zu zeigen, wie scheinbar komplexe und voneinander unabhängige Verhaltensweisen durch einfache Gesetze erklärt werden können.“

Dies geschieht, indem es „eine Reihe leicht zu visualisierender Dynamiken zeigt, die den Abstraktionsbedarf verringern“ und „eine Gleichung mit unterschiedlichen Begriffen präsentiert, die die Grundlagen der klassischen Mechanik abdeckt“.