Physicist Anxo Biasi explained the concepts of classical mechanics using his cat's behavior as an example: he imagined his pet as a point mass and his owner as a potential well, the presence of which alters the animal's behavior. In this way, the researcher was able to explain the roots of cats' selfishness, their purring, and periods of frenetic random activity. The article was published in the American Journal of Physics.
Scientists have long used analogies between animal behavior and physical models: for example, the daily and seasonal activity of bowhead whales was explained using chaotic oscillators, and the movement of a herd of sheep was described by the contribution of random and non-random components. Such models have proven useful not only for physicists but also for biologists, revealing many interesting patterns (bowhead whales migrate through the water column following their prey, while sheep move according to a linear hierarchy within the group).
Anxo Biasi of the University of Paris was inspired by his cat's observations and described its movements in space using classical mechanics. To do this, the physicist represented the cat as a point particle (an object with mass but negligible dimensions) and considered a human as an energy potential—a kind of trap for the particle that influences the animal's behavior. The researcher also introduced several additional parameters into the model: a coupling constant g, which indicated the cat's level of attachment to the human, and a type of friction to reduce the cat's energy (without this term, the cat would never return to the human after a period of activity). To complete the model, the scientist asymptotically limited the growth of the potential, thus confining the human and cat to a limited space, such as a room or apartment, which the pet generally cannot leave on its own.
Затем физик проанализировал составленное уравнение и объяснил несколько особенностей в поведении кошек. Во-первых, при малой константе связи g получившийся потенциал обладал двумя минимумами, которые соответствовали ситуации отдыха кошки на некотором расстоянии от человека. Если же увеличить уровень привязанности, то кошка-частица сваливалась в образовавшийся дополнительный минимум, совпадающий с положением хозяина в пространстве. Во-вторых, когда кошку тревожит некое внешнее событие (автор привел в качестве примеров полет мухи, неожиданный звук в комнате и бета-распад атома в соседней галактике), то животное стремится покинуть потенциальную яму человека, однако чем выше константа привязанности, тем сложнее вывести кошку из равновесия и заставить переместиться в пространстве.
Наконец ученый проанализировал поведение кошки в том случае, когда ее зовет человек, и выяснил, что в рамках придуманной модели зов хозяина выступает в роли импульса, который увеличивает кинетическую энергию животного. Если величина импульса недостаточна или константа привязанности мала, то кошка отвлекается по пути на другие внешние стимулы и не доходит до человека, либо же вовсе не реагирует на призыв. Автор работы сравнил это поведение с аналогичным у собак и связал менее резвый отклик кошек на призыв хозяина с более сильным внутренним механизмом демпфирования, а не эгоистичностью этих животных. При этом физик заметил еще одну интересную закономерность: чем меньше масса кошки, тем меньше величина импульса, который необходим животному, чтобы увеличить его кинетическую энергию и мотивировать дойти до человека. Этот вывод ученый подкрепляет эмпирическим наблюдением, что котята куда более охотно реагируют на стимулы, если сравнивать их со взрослыми особями.
Физик также преуспел в объяснении периодов буйной случайной активности кошек (явление, также известное как «тыгыдык»). Для этого ученый превратил уравнение движение кошки в стохастическое, добавив внешнее воздействие, которое случайным образом вводило энергию в систему, а затем выводило. Исследователь решил полученное уравнение численно с помощью метода Эйлера — Маруямы, использовав те же предположение, которые применяют для моделирования броуновского движения и предсказания финансовых рынков. Оказалось, что частота и длительность тыгыдыков в первую очередь зависит от константы трения и массы кошки: например, чем больше масса животного, тем реже происходят периоды активности.
Последним феноменом, который физик объяснил с точки зрения классической механики, стало мурлыканье: ученый ввел в модель внешнее вибрирующее воздействие и провел аналогию с маятником Капицы, который можно зафиксировать в вертикальном положении с помощью дополнительных малых колебаний по вертикали. В итоге исследователь предположил, что мурлыканье это механизм, который укрепляет связь кошки-частицы и человека-потенциальной ямы, заставляя последнего гладить животное, что в свою очередь продлевает время мурлыканья.
The author of the paper noted that the model he developed could be further modified to describe human-dog interactions, as well as dog-cat interactions. He also emphasized the potential use of his research in teaching students the basic concepts of classical mechanics, which are often difficult to understand. In concluding the article, the physicist thanked his cat, Eme, for inspiring him to study aspects of her behavior from a physical perspective.
This isn't the first time cats have become the subject of research for mechanical engineers. For example, we reported on how a physicist explained how cats survive falls from windows.
