物理学家和他的猫“揭示”了猫运动方程

Josiah02

在社交媒体时代，动物界的明星几乎无人质疑。猫统治着屏幕，就像它们的表亲狮子统治着大草原一样。由于埃尔温·薛定谔，这种猫科动物在物理学史上也占有一席之地。正是这只猫启发了阿尔塔斯能源物理研究所 (IGFAE) 的研究员安克索·比亚西 (Anxo Biasi)在《美国物理学杂志》上发表了一篇文章。
在本文中，Anxo 提出了猫运动方程。“本文旨在让物理学更贴近非专业人士，提供一个令人愉快的例子，通过这个例子可以理解经典力学的几个概念。为此，构建了一个方程，该方程模拟了猫在人面前的行为，将猫视为在人引起的势能中移动的点粒子，”他总结道。
用猫来解释物理
Anxo 最近通过巴黎高等师范学院物理系的 La Caixa 青年领袖计划加入了 IGFAE，这是圣地亚哥德孔波斯特拉大学 (USC) 和加利西亚 (西班牙) 地区政府的联合中心。
在已经完成博士论文的IGFAE ，他将在物理学和数学的交叉领域开展非线性演化方程的研究，加入弦理论和相关领域的团队。
他说，写这篇文章的初衷是“以一种有趣的方式传达物理学，使其对学生更有吸引力”。因此，这个在某种程度上看似玩笑的东西逐渐呈现出一种学术形式。
“这最初是愚人节的一个有趣想法，灵感来自一些研究人员提交的有趣论文。然而，我很快意识到我创作的这个故事对物理专业的学生有很大的帮助。这个故事的概念性很强，但它以一种有趣的方式介绍了它，用一个引起极大好奇心的例子：一只猫！”
那么猫的运动方程又是如何建立的呢？
Anxo 从他与 Eme 的日常经历中提取了七种动态或模式，并采用了“猫的行为就像它们感知到人周围的力量一样”的假设。
文章以此方式指出，通过将猫视为遵循牛顿力学的点粒子，可以将上述七种动力学建模，作为第一近似值。
猫会受到与外部势能（由人的存在引起）相关的“力”，其中 x(t) ∈ R 表示猫在时间 t 相对于位于 x = 0 处的人的位置。因此，m > 0 是猫的质量，ϵ > 0 是摩擦系数，用于考虑猫的疲劳程度。因此，结果是这个方程：
从这个公式出发，通过对猫科动物运动的分析，可以展示方程本身是如何构建的。
“该作品以一种有趣的方式展示了构建物理模型时所遵循的心理过程，而这在书中很少详述。例如，分析了运动（或不运动）模式，这是因为猫在被叫时往往不来，很容易分心，或者往往会在最喜欢的人的腿上停留更长时间。”
所有这些计算都以一种引人入胜且有趣的方式进行。“我们并不总是需要解决宇宙中最深奥、最具挑战性的谜团；有时我们可以放松一下，利用物理的力量来解释日常生活——这真的很有趣！”Anxo 说。
通过这种方式，“猫与人互动模型让物理学更贴近非专家，通过一个好奇而熟悉的情况展示物理模型构建背后的原因，”他总结道。
猫运动方程的描述。图片来源：美国物理学杂志
呼噜声和快速飞行分析
这篇论文重点分析了猫科动物特有的呼噜声，他认为这种反应是一种稳定机制，通过猫与人类同伴之间的互动得到反馈。
“有人提出，当一只猫被抚摸并开始发出呼噜声时，人们往往会感到继续抚摸它的冲动，从而强化了这一过程的稳定性。”
通过呼噜声和抚摸来传达感情，猫与人之间的联系暂时得到加强，这也进一步加强了这种稳定性。
这项研究还考虑了猫咪疯狂随机活动（称为 FRAP 或“zoomies”）的周期，即猫咪全速从一个地方移动到另一个地方，通常是在夜间。本文讨论了在这种情况下，方程如何需要一个随机分量来模拟这些周期，作为外部“强迫”内置到公式中。这增加了一些必要的随机性来模拟这些猫咪“爆发”，在某种程度上可以根据每个人的特殊性进行调整。
教育用途
除了其有趣的方法之外，Anxo 还强调本文“旨在用于经典力学的入门课程，以展示如何用简单的定律来解释看似复杂且不相关的行为。”
它通过展示“一系列易于可视化的动态，减少抽象的需要”来实现这一点，并提出“一个具有不同项的方程，涵盖了经典力学的基本原理”。