Ein Physiker und seine Katze „enthüllen“ die Gleichung der Katzenbewegung

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

In diesem Artikel stellt Anxo die Gleichung der Katzenbewegung vor. „Dieser Artikel zielt darauf ab, Nicht-Experten die Physik näher zu bringen und bietet ein angenehmes Beispiel, anhand dessen es möglich ist, mehrere Konzepte der klassischen Mechanik zu verstehen. Dazu wird eine Gleichung erstellt, die das Verhalten einer Katze in Gegenwart von a modelliert Dabei betrachtet man Ersteres als ein Punktteilchen, das sich in einem vom Menschen induzierten Potential bewegt“, fasst er zusammen.

Mit Katzen Physik erklären

Anxo ist kürzlich dem 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 von der Physikabteilung der École Normale Supérieure de Paris.

Am IGFAE, wo er bereits seine Doktorarbeit abgeschlossen hat, wird er seine Forschungsrichtung zu nichtlinearen Evolutionsgleichungen an der Schnittstelle zwischen Physik und Mathematik weiterentwickeln und sich dem Team für Stringtheorie und verwandte Gebiete anschließen.

Die Idee für den Artikel sei entstanden, „Physik auf spielerische Weise zu vermitteln und sie für Studierende attraktiver zu machen“, sagt er. Und so nahm das, was gewissermaßen wie ein Witz schien, nach und nach eine akademische Form an.

„Dies begann als spielerische Idee für Fool’s Day, inspiriert von den lustigen Aufsätzen einiger Forscher. Mir wurde jedoch schnell klar, dass diese von mir erstellte Geschichte für Physikstudenten eine große Hilfe sein könnte. Die Geschichte ist sehr konzeptionell aufgeladen, aber sie führt ein es auf spielerische Weise anhand eines Beispiels, das große Neugier weckt: einer Katze!“

Und wie ist die Gleichung der Katzenbewegung aufgebaut?

Anxo geht von sieben Dynamiken oder Mustern aus, die er aus seiner alltäglichen Erfahrung mit Eme extrahiert hat, und verwendet die Hypothese, dass „Katzen sich so verhalten, als würden sie eine Kraft um einen Menschen herum wahrnehmen.“

Auf diese Weise heißt es in dem Artikel, dass die oben genannten sieben 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 Potential verbunden ist (induziert durch die Anwesenheit einer Person), wobei x

Ausgehend von dieser Formel und durch die Analyse der Katzenbewegung ist es möglich zu zeigen, wie die Gleichungen selbst aufgebaut sind.

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

All diese Berechnungen werden auf ansprechende und unterhaltsame Weise angegangen. „Wir müssen uns nicht immer mit den tiefsten und herausforderndsten 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!“, sagt 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.

Schnurr- und Zoomies-Analyse

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Analyse des charakteristischen Schnurrens bei Katzen. Sein Vorschlag ist, dass es sich bei dieser Reaktion um einen Stabilisierungsmechanismus handelt, der durch die Interaktion zwischen der Katze und ihrem menschlichen Begleiter rückgekoppelt wird.

„Es wird vermutet, dass Menschen, wenn eine Katze gestreichelt wird und zu schnurren beginnt, den Impuls 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 frenetischer, zufälliger Aktivität, bekannt als FRAP oder „Zoomies“, in denen sich Katzen mit voller Geschwindigkeit von einem Ort zum anderen bewegen, normalerweise nachts. In dem Artikel wird erläutert, wie die Gleichung in diesem Fall eine Zufallskomponente zur Modellierung dieser Perioden erfordert, die als externer „Antrieb“ in die Formel eingebaut ist. Dies fügt eine gewisse Zufälligkeit hinzu, die zur Modellierung dieser Katzen-„Ausbrüche“ erforderlich ist und die bis zu einem gewissen Grad an die Besonderheiten jedes Einzelnen 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 komplexes und zusammenhangloses Verhalten durch einfache Gesetze erklärt werden kann.“

Dies geschieht, indem es „eine Reihe von Dynamiken zeigt, die leicht zu visualisieren sind, wodurch die Notwendigkeit einer Abstraktion verringert wird“ und „eine Gleichung mit unterschiedlichen Termen präsentiert, die die Grundlagen der klassischen Mechanik abdeckt“.