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。

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（當然高度也是有極限的），而這種現(xiàn)象在科學上，則可以用物理學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90年代，由法國科學家馬雷發(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[1]）

其實，貓落地能夠腳部落地的運動是可以用物理學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，當一個物體不受到外力作用進行旋轉(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?？茖W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?shù)姆较颉?/p>

當然，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)非常快，因為貓的反射神經(jīng)十分發(fā)達，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大，即使遠處傳來的聲音也能被它們準確定位。因此，雖然老鼠在很遠的位置，也能被貓精準的捕獲到。貓捉老鼠（圖片來源：pixabay.com）

2

超強的夜視功能

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胞與視桿細胞組成。其中，視錐細胞決定了光亮條件下的視覺。視桿細胞決定了黑暗條件下的視覺。貓的視桿細胞與視錐細胞的比例是人類的六倍多，因此貓的夜視功能更加強大。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，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

[1] hotographsofaTumblingCat.Nature51,80–81(1894). https://doi.org/10.1038/051080a0.[2] Howdoesacatfallonitsfeet?TheNewScientist,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.視錐細胞、視桿細胞與視覺環(huán)境[J].中國眼鏡科技雜志,2003,000(006):55-56.

作者丨Denovo 科普作者

審核丨黃乘明 中國科學院動物研究所研究員