И кошки, и собаки не могут пить как человек: мышцы их щек не позволяют им втягивать жидкость внутрь так, как это делаем мы с вами. Поэтому воду они лакают - но как они это делают?
Счастливые хозяева, в доме которых живут и кошки и собаки, наверняка обращали внимания, что кошки при лакании разбрызгивают гораздо меньше жидкости. Это происходит не потому, что кошки более чистоплотные, а потому, что кошки и собаки пьют по-разному. Более того, лакание кошек - это сложный физический процесс !
Но начнем с собак: их механизм лакания очень просто для восприятия. Наклоняясь над миской, собака высовывает язык и загибает кончик назад, превращая его в маленькую ложку-черпак. Это ложку собака опускает в воду и заносит обратно в рот (разбрызгивая воду вокруг, причем чем крупнее собака - тем сильнее).
А теперь перейдем к кошкам. При лакании кошка тоже выгибает язычок назад, но при этом не пытается зачерпнуть им воду. С большой скоростью она ударяет сгибом языка по воде и сразу убирает его , и под действием сил натяжения на поверхности воды образуется небольшой водяной столбик, который кошка заглатывает, захлопнув рот.
Роман Стокер (Roman Stocker), большой любитель кошек и любопытный ученый, и его команда инженеров из Массачуссетского технологического института (MIT) провели исследование, в ходе которого показали, что кошка не просто пьет воду таким интересным способом, но и делает это максимально эффективно: её движения точно рассчитаны так, чтобы поглощать максимальное количество воды с минимальными усилиями. Для того чтобы это показать, ученые даже построили специального робота, работу которого сравнивали с собственными домашними кошками.
Наверное, каждый владелец кота или кошки хотя бы раз наблюдал за тем, как его питомец лакает воду. У этих животных данный процесс получается непринужденным и очень аккуратным. Кошка пьет воду совсем не так, как человек. Она лакает, погружая в жидкость самый кончик языка, а затем быстро убирая его в рот.
Собака пьёт воду иначе. Она делает язык в форме ложки, после чего зачерпывает им воду и глотает. В отличие от кошек, у собак процесс поглощения воды происходит менее аккуратно: они могут разбрызгивать жидкость.
Процесс поглощения жидкости
Специально для того чтобы найти ответ на этот вопрос, ученые проводили исследования. В процессе они выяснили, что особый механизм поглощения жидкости у этих животных связан с поверхностным натяжением, которым обладает вода. Если понаблюдать за котом, то можно увидеть следующее: когда животное хочет сделать глоток, оно выгибает кончик языка в виде буквы L, после чего касается водной глади ровной частью изгиба. Затем животное очень быстро поднимает язык.
Язык кошки действует наподобие поршня. Он тянет за собой столбик воды. Это хорошо видно на замедленной съемке процесса лакания. Как только часть жидкости попадает кошке в рот, она глотает ее. Это необходимо сделать быстро, чтобы не дать воде осесть. Пьющая кошка погружает язык в воду 4 раза за секунду.
В более медленном ритме у животного лакать питьевую воду просто не получится. За каждый раз зверьку попадает в рот примерно 0,1 мл воды.
Почему природа придумала такой сложный механизм поглощения жидкости у котов? Все дело в том, что эти животные не очень любят воду. Наверное, почти каждый владелец знает, как трудно искупать кошку. Именно из-за неприязни к жидкости пушистые хвостатые пьют таким образом, чтобы не намочить шубку и усы. Наслаждаясь водой, животное остается полностью сухим.
Съемка раскрыла секрет лакания
Для объяснения природы лакания специалист Гарольд Эджертон из Массачусетского технологического института в 1940 году проводил эксперимент, в ходе которого использовал стробоскопическую съёмку. Тогда же было доказано, что животное при лакании сначала касается поверхности воды верхней частью язычка.
news.mit.edu, Denise Brehm, 2010г.
Проведённые исследования показывают, что даже в том, как лакать воду , кошки достигли совершенства. Они делают это эффективнее всех остальных животных, пьющих жидкость подобным образом.
Не подлежит сомнению природная грация и изысканность движений домашних кошек. Но знаете ли Вы, что эти же определения относятся и к тому, как кошки пьют?
Известно, что когда кошка лакает, она вытягивает свой язык прямо вниз, а кончик загибает назад так, что верхняя часть языка первой касается поверхности жидкости. Впервые это было установлено при съемках процесса лакания в 1940 году, которые провёл Гарольд Юджин «Док» Эджертон (англ. Harold Eugene "Doc"), американский инженер и изобретатель, специализировавшийся в области электротехники, профессор Массачусетского Технологического Института (MIT). Он впервые использовал стробоскопический эффект в фотографии, чтобы получить снимки разбитого на отдельные части действия.
Видео: Pedro M. Reis, Sunghwan Jung, Jeffrey M. Aristoff , Roman Stocker
Однако, последние высокоскоростные видеозаписи, сделанные в MIT, Политехническом университете Виргинии и Принстонском университете показали, что кончик кошачьего языка является единственной частью, соприкасающейся с жидкостью. Кошки, в отличие от собак, не погружают весь язык в воду, черпая её подобно ковшу. Когда кошка пьёт, её техника гораздо тоньше и элегантнее. Мягкий кончик языка едва касается поверхности жидкости до того, как кошка вытягивает свой язык обратно. При этом образуется столб жидкости между языком и поверхностным слоем воды. Кошка закрывает рот, отсекая верхнюю часть столба так, что подбородок остаётся сухим.
Когда кошачий язык касается поверхности воды, жидкость прилипает к нему, подобно тому, как вода прилипает к человеческой ладони, если прислонить её к воде. Но кошка двигает языком так быстро, что на долю секунды жидкость сохраняет направление движения. Следуя за языком, вода преодолевает силу притяжения, которая тянет её вниз, к блюдцу. Кошка инстинктивно чувствует этот тонкий баланс сил. Она закрывает рот в тот момент, когда гравитация начинает «побеждать» силу поверхностного натяжения. Если бы она делала движения медленнее, столб жидкости бы разрушался, вода стекала обратно в миску, а язык попадал бы в рот сухим.
Домашняя кошка пьёт, циклически двигая языком четыре раза в секунду, тогда как представители больших видов, такие как тигры, заметно реже. Тигры могут себе это позволить, так как их язык гораздо больше, поэтому равновесие между силами гравитации и инерции наступает позже.
Учёные анализировали скоростные видеозаписи как домашних, так и больших кошек - тигров, львов, ягуаров из зоопарка Новой Англии (Бостон). Кроме того, был обработан большой объём записей процесса лакания больших кошек, доступных на YouTube.
В результате была определена скорость и частота движения языка по ходу питья. Получив эти данные, зная размер языка, исследователи создали математическую модель лакания, которая позволяла описать взаимодействие силы поверхностного натяжения и силы тяжести. Выяснилось, что для кошек любого размера, частота, с которой они лакают жидкость, соответствует максимально эффективному значению.
Для лучшего понимания тонкой динамики процесса, исследователи создали роботизированную версию кошачьего языка, движущегося вверх-вниз над блюдцем с водой. Это позволило им изучить различные аспекты того, как пьёт кошка, а в итоге - описать механизм, лежащий в основе этого процесса.
"Это одна из лучших наших работ, которую я могу припомнить, иллюстрирующая, как, по новому посмотрев на давно знакомые вещи, удаётся увидеть то, чего раньше никто не замечал", - сказал профессор Стивен Фогель из Университета Дьюка (Steven Vogel, Duke University), биомеханик, не участвовавший в проекте. "Теперь, зная результаты, я вижу, что описание и предлагаемые объяснения процесса, полностью соответствуют моим собственным случайным наблюдениям за тем, как пьют кошки".
Исследователи начали работу три года назад, когда Stocker, изучавший биофизику движения микробов в океане, заинтересовался тем, как пьёт его кот. Именно он, 8-летний Cutta Cutta, запечатлён на видео и фото исследователей. Подобно кинозвёздам (Cutta Cutta – на языке аборигенов значит “stars stars”), не стеснялся заставлять людей ждать. Stocker и Reis часами дежурили с камерами наготове, ожидая пока Cutta Cutta подойдёт к блюдцу, чтобы попить.
Наука позволяет нам посмотреть на естественные процессы другими глазами, понять, как они протекают, даже если изучается такая прозаическая вещь, как кошачье лакание. Этот проект потребовал организованной командной работы, творческого подхода к делу. Исследования были проведены без какого-либо финансирования, привлечения ассистентов, без большого количества оборудования. Они стали подтверждением того, что очень интересные, неожиданные результаты можно получить, изучая явления, являющиеся частью нашей повседневной жизни.
Поразительная способность кошки «играть с земным притяжением» не ограничивается ее умением балансировать, прыгать и приземляться, а распространяется еще и на механизм лакания.
Собака при питье попросту сворачивает язык «ковшиком» и зачерпывает им воду, расплескивая ее вокруг и на себя. Другое дело - кошка. С 40-х годов, благодаря серии стробоскопических снимков инженера из Массачусетса Дока Эджертона, было известно, что лакая, кошка опускает язык вертикально вниз к жидкости и заворачивает самый его кончик крючком - буквой J - так, что воды фактически первой касается внешняя поверхность языка.
Сегодня междисциплинарная группа исследователей продемонстрировала, что изгиб наружной поверхности - единственная часть кошачьего языка, которая вообще соприкасается с жидкостью. В отличие от собаки, кошка не погружает язык в воду, а, слегка коснувшись изогнутым кончиком поверхности, тут же втягивает его обратно вверх, при этом между движущимся языком и поверхностью молока образуется молочный «столбик». Этот столбик образован тончайшим балансом между гравитацией, под воздействием которой жидкость стремится упасть обратно, и силой инерции, заставляющей движущуюся жидкость продолжать движение кверху. Баланс между этими силами кошка поддерживает инстинктивно - лакая с поразительно точной частотой: если ритм лаканий изменится хоть на долю секунды, непрерывная «нитка» жидкости оборвется.
Домашняя кошка лакает со скоростью около четырех движений языка в секунду, при каждом движении перемещается около 0,1 мл жидкости; крупные кошачьи, например тигры, - медленнее, потому что имеет значение также площадь языка животного.
Роман Стокер из Массачусетского технологического института, Педро Рейс и Сунван Юнь из университета Вирджинии и Джефри Аристоф из Принстона снимали лакающими домашнюю кошку Стокера и тигров, ягуаров и львов из зоопарков Новой Англии. Кроме того, возможно впервые в истории научных публикаций в журнале Science, в исследовании в были использованы также ютьюбовские видеоролики с лакающими хищниками.
С помощью видеозаписей исследователям удалось установить скорость и частоту движения лакающих языков. На основе размера языка и его скорости была построена математическая модель для расчета отношения между силами гравитации и инерции. Для кошек всех видов и размеров этот показатель одинаков.
Аристоф, математик, изучающий поведение жидких поверхностей, считает, что исследование очень выиграло благодаря многопрофильности группы: в нее вошли инженеры, физики и математики. “В начале проекта мы не были уверены, что механизм кошачьего лакания как-то связан с механикой жидкого тела”, - уточняет Юн, инженер, изучающий поведение мягких объектов, вроде рыб, и окружающей их водной среды. Сама идея исследования возникла три с половиной года назад, когда Стокер, изучавший механизмы движения жидкости в связи с перемещениями океанских микробов, посмотрел, как пьет его кошка, и задумался. Именно она, восьмилетняя Кутта-Кутта, и стала звездой видео и фотосъемок исследования.
Учеными руководило, по словам Стокера, исключительно любопытство и восхищение красотой инженерных решений природы; исследование не потребовало ни финансовых вложений, ни больших человеческих ресурсов, разве что огромного терпения, чтобы выжидать с наведенной на кошачью плошку камерой, когда кошка соблаговолит попить.