貓落地那么平穩(wěn)瀟灑，竟然可以用這個物理定律來解釋！

都說“貓有九條命”，但是當(dāng)貓的年齡大、生病或者遭遇意外時，也會“一命嗚呼”。所謂的“九條命”雖然只是傳說，但是從側(cè)面反映出了貓的生命力極其頑強(qiáng)。

我們時常會看到貓能爬上高高的樹木，或是在窄的高墻上飛檐走壁，難免會想難道貓不會恐高么？一旦摔下來還能活么？而事實竟然是，貓從高空跌落竟然能完美的腳部著地，這也讓貓更不容易摔傷（當(dāng)然高度也是有極限的），而這種現(xiàn)象在科學(xué)上，則可以用物理學(xué)的角動量守恒定律來解釋！

貓（圖片來源：pixabay.com）

貓跌落可以腳著地的原因？

貓從高空下落，總是腳部先著地這一有趣的現(xiàn)象，早在幾十年前就引起了關(guān)注。

在 20 世紀(jì) 90 年代，由法國科學(xué)家馬雷發(fā)明的快速攝影器材記錄了貓在高處跌落的過程。如下圖所示，貓跌落后，在空中可進(jìn)行自由轉(zhuǎn)體運動，它的前腿趨于縮短并貼近于脖子，后腿則伸展垂直于身體，最終能夠?qū)⑸眢w翻轉(zhuǎn) 180°，腳部成功著地。

貓從高處落地的過程（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

其實，貓落地能夠腳部落地的運動是可以用物理學(xué)中的角動量守恒定律解釋的。

角動量是旋轉(zhuǎn)運動的一種度量。在直線運動中，我們用動量來描述物體的運動狀態(tài)；在旋轉(zhuǎn)運動中，則用角動量來描述。角動量可以看作是物體在旋轉(zhuǎn)時的“旋轉(zhuǎn)動量”。其大小與旋轉(zhuǎn)的半徑及速度呈正相關(guān)。

角動量守恒即為在一個系統(tǒng)中，當(dāng)一個物體不受到外力作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動時，角動量總量始終保持不變，舉一個生活中常見的例子，冰上花樣滑冰選手在旋轉(zhuǎn)跳躍時，如果將雙臂收攏，旋轉(zhuǎn)的速度就會變快，張開手臂，旋轉(zhuǎn)速度就會變慢一些。但是由于角動量守恒，所以總角動量保持不變。

我們再來看看貓落地的過程，也可以認(rèn)為是角動量守恒它的旋轉(zhuǎn)方向和速度會保持不變，即貓一旦落體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動的行為時，它會一直保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且旋轉(zhuǎn)的方向保持不變，直到有外力作用。

由于貓下落旋轉(zhuǎn)時，前后腿的姿態(tài)是不一致的，因此貓下落旋轉(zhuǎn)的過程可以被拆解前半身和后半身兩部分分析。科學(xué)家將貓落地的旋轉(zhuǎn)行為稱為前后半身旋轉(zhuǎn)方向相反的擰麻花旋轉(zhuǎn)運動。

當(dāng)貓從高處落下時，基于身體特點，貓的前肢會收縮，旋轉(zhuǎn)半徑減小了，由于角動量守恒，前半身的旋轉(zhuǎn)速度就會變大，更容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)的行為。貓的后肢會伸展，即旋轉(zhuǎn)半徑增大，因此旋轉(zhuǎn)速度相對較低，旋轉(zhuǎn)行為發(fā)生的較為遲緩。

最終，假設(shè)貓的前半身會順時針旋轉(zhuǎn)，那么后半身則會逆時針旋轉(zhuǎn)。兩部分產(chǎn)生的角動量總和會始終保持不變，以維持整體的角動量守恒。貓接著通過腰部和脊椎不同的扭轉(zhuǎn)，可以改變前后身體部分的轉(zhuǎn)動慣量。例如，當(dāng)貓彎曲前身時，其轉(zhuǎn)動慣量減小，因此旋轉(zhuǎn)速度增加；后身的轉(zhuǎn)動慣量則增大，旋轉(zhuǎn)速度減小。

當(dāng)貓的前半身旋轉(zhuǎn)到合適的位置后，它會迅速恢復(fù)原狀，從而停止旋轉(zhuǎn)。而后半身也會進(jìn)行相同的操作。由于前后身體的協(xié)同作用，貓的整個身體會調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆较颉?/p>

當(dāng)然，最后還要加上貓腿部彈跳能力。貓的腿部關(guān)節(jié)靈活，當(dāng)靠近地面時，貓可以使用腿部彈跳來減緩落地沖擊。

此外，貓跌落會腳部落地和其自身的身體構(gòu)造及快速的反應(yīng)能力也有關(guān)。喜歡擼貓的人越來越多，而貓咪備受喜愛的原因之一就是它們具有非常柔軟的身體，擼起來舒服解壓。貓的脊柱上的脊骨數(shù)量要比人多五塊，因此保證了它在高空旋轉(zhuǎn)時能夠更加靈活的扭動身體來調(diào)整下降的姿勢。

同時，貓的反應(yīng)非?？?，因為貓的反射神經(jīng)十分發(fā)達(dá)，在下落的初期，貓就能感知并判斷自身的方位，利用其發(fā)達(dá)的神經(jīng)反射實現(xiàn)在空中翻轉(zhuǎn)時的復(fù)位反射，即身體處于非正常狀態(tài)時用來恢復(fù)正常體位的反射行為。以上均保證了貓落地時的姿勢及落地的安全性。

貓落地（圖片來源：pixabay.com）

上面這一大堆看不太明白也不要緊，畢竟我們鏟屎的只要知道貓主子非常厲害、特別厲害、超級厲害就行啦……

貓咪還有些技能則很容易聽懂，咱也可以了解一二。

貓還有哪些特殊的技能？

1 超強(qiáng)的聽力

貓咪被人熟知的一項技能便是捉老鼠。這項技能離不開其超強(qiáng)的聽力。貓耳朵內(nèi)的肌肉數(shù)量是人的五倍之多且結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜。貓能聽到的聲波范圍是人的三倍，能聽到人類不能聽到的超聲波和次聲波。同時，它們的收音能力十分強(qiáng)大，即使遠(yuǎn)處傳來的聲音也能被它們準(zhǔn)確定位。因此，雖然老鼠在很遠(yuǎn)的位置，也能被貓精準(zhǔn)的捕獲到。

貓捉老鼠（圖片來源：pixabay.com）

2 超強(qiáng)的夜視功能

在黑天，我們會發(fā)現(xiàn)貓的眼睛又大又亮。由于貓眼睛內(nèi)部的構(gòu)造，它們具有超強(qiáng)的夜視功能。眼球內(nèi)部影響視覺的為光感受體。光感受體主要由視錐細(xì)胞與視桿細(xì)胞組成。其中，視錐細(xì)胞決定了光亮條件下的視覺。視桿細(xì)胞決定了黑暗條件下的視覺。貓的視桿細(xì)胞與視錐細(xì)胞的比例是人類的六倍多，因此貓的夜視功能更加強(qiáng)大。

貓眼睛（圖片來源：pixabay.com）

沒想到吧，貓居然有這么多的獨門絕技！順便說一句，健康的普通成年家貓，短跑時速都可以達(dá)到 40km/h 以上，都能和飛人博爾特賽個跑了！

編者的話：

雖然貓咪身手高強(qiáng)，但是千萬不要為了做實驗就把貓從高處往下扔，它們還是有可能受傷甚至死亡的。另外你還可以找個軟和的地方比如沙發(fā)、床墊，讓貓肚子朝上抱著，放低點一撒手，貓照樣會跌個四仰八叉，這是因為高度太低貓反應(yīng)不過來啦。

參考文獻(xiàn)

[1] hotographs of a Tumbling Cat. Nature 51, 80–81 (1894). https://doi.org/10.1038/051080a0.[2] How does a cat fall on its feet? The New Scientist, vol. 7, no. 189 (1960), pp. 1647-9.[3] 王亞男.貓真能打破角動量守恒么?[J].航空知識, 2022(9):1.[4] 唐永連.視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞與視覺環(huán)境[J].中國眼鏡科技雜志, 2003, 000(006):55-56.

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作者丨Denovo 科普作者

審核丨黃乘明 中國科學(xué)院動物研究所研究員

責(zé)編丨丁崝