Fysiken om hur katter dricker

För ungefär fyra år sedan såg Roman Stocker sin katt, Cutta Cutta, dricka ur sin skål. Och Stocker, en ingenjör som studerar havsmikrobers biofysik, undrade exakt vilka fysiska krafter som gjorde det möjligt för katten att knäppa. Så han och Pedro Reis, en kollega på institutionen för byggnads- och miljöteknik, arbetade med Sunghwan Jung , SM '95, PhD '07, och Jeffrey Aristoff ’04, PhD ’09, som då var på MIT, för att filma och studera video av tamkatter och stora katter när de drack. Deras forskning, publicerad i Vetenskap , fann att kattdjur av alla storlekar drar fördel av en perfekt balans mellan två fysiska krafter.

Forskarna såg att när en katt dricker sträcker den ut sin tunga rakt ner mot skålen med spetsen böjd bakåt, så att toppen av tungan vidrör vätskan först. De fick senare veta att Harold Doc Edgertons film från 1940 av en katt som skvalpar mjölk visade samma fenomen. Men de nya videorna tog saker och ting längre och avslöjade att toppen av tungan är endast ytan för att vidröra vätskan. Katter, till skillnad från hundar, doppar inte tungan i som slevar. Den släta spetsen rör knappt ytan innan katten drar upp tungan igen. När det gör det bildas en kolonn av vätska mellan den rörliga tungan och vätskans yta. Katten stänger sedan munnen, nyper av toppen av kolonnen och håller hakan torr.

När kattens tunga vidrör vätskeytan fastnar en del av vätskan på den, ungefär som vatten fastnar på en mänsklig handflata när den vidrör ytan på en pool. Men katten drar tillbaka sin tunga så snabbt att för en bråkdel av en sekund övervinner trögheten gravitationen, som drar vätskan tillbaka mot skålen. Katten vet instinktivt precis när denna känsliga balans kommer att förändras; den stänger sin mun i ett ögonblick innan gravitationen hindrar den rörliga vätskan från att fortsätta följa tungan. Om katten tvekade skulle kolonnen gå sönder, vätskan falla tillbaka i skålen och tungan kommer upp tom.

Forskarna analyserade höghastighets digital video av huskatter som Cutta Cutta (se den ovan eller på www.technologyreview.com/cat-drink) samt lejon, en tiger och en jaguar. Genom att sakta ner videorna fastställde forskarna hastigheten på tungornas rörelser och frekvensen av läppning. Eftersom de kände till tungans storlek och hastighet, utvecklade de sedan en matematisk modell av lapping, som involverar förhållandet mellan gravitation och tröghet. För katter av alla storlekar är den siffran nästan exakt en, vilket indikerar en perfekt balans. Tamkatter i genomsnitt fyra varv per sekund, men stora katter, vars tungor är större, varvar långsammare för att uppnå samma resultat.

För att bättre förstå den subtila dynamiken i lapping skapade forskarna också en robotversion av en katts tunga som rör sig upp och ner över en skål med vatten. Modellen gjorde det möjligt för dem att systematiskt utforska olika aspekter av lapping och i slutändan identifiera mekanismerna i arbetet.

Dölj