之前網上有一個很火的測試視頻，想必很多人都刷到過：
圖源網絡
把貓翻轉過來橫抱于床或沙發之上，然后突然松手讓其自由下落，基本上只要不是高度太低，絕大多數貓都能將身子翻過來，然后四腳穩穩地落地，令人驚嘆不已。
這也讓人十分好奇：貓是如何做到的？
關于這個問題的答案，其實早在一百多年前，就已經有科學家在探索了。
違背物理定律的貓？
關于貓的神話或傳說，很早之前民間就出現了“貓有九命”的說法，這種說法或許來源于貓極強的跳躍能力以及它們從高處跳下卻能毫發無傷的身手。
貓喜歡從屋頂上一躍而下 圖源pixabay
而在19世紀，當時的科學家們還發現了貓咪更為神奇的能力：當人們把貓捉住，然后使其背部朝下自由下落，它們總是能夠在落地時用腳著地。
這讓人們感到十分困惑，明明是倒立著下落，為何落地時貓的身子卻翻轉了過來，只不過整個過程發生得非常快，以至于人眼很難觀察到貓在空中的行為。
沒錯，這個挑戰一百多年以前就有了 圖源gloubik
不過，當時的一種普遍猜測認為，貓可能是在下落時從人的手上獲得翻轉身體所需的動能，因為根據角動量守恒，一個不自轉的物體不可能在沒有外界影響的情況下突然旋轉。
時間來到1894年，法國科學家艾蒂安-朱爾-馬雷利用計時攝影槍拍攝了許多動物的影像，這種計時槍每秒能夠連續拍攝12幀，使得人們可以觀察動物們在一秒內的多個運動階段。
馬雷捕捉到一只飛翔中的鵜鶘 圖源艾蒂安-朱爾-馬雷
當然，他也拍攝了貓倒立下落的影像，結果圖像顯示，與之前人們的猜測不同，貓并沒有受到人的外力作用，而是直接向下跌落，然后以自身為軸在空中開始旋轉，直至身體回到正確的方向，最終以四肢著地。
貓的下落運動 圖源艾蒂安-朱爾-馬雷
很顯然，貓在空中的運動似乎違反了物理定律，這怎么可能呢？
麥克斯韋與貓
這一現象很快引起了許多科學家的關注，其中包括著名的物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。他設計了多項實驗，將貓從不同高度下落，觀察貓的動作。
事實證明，貓的身體很奇特。如果從數學模型的角度來看，動物的身體都可以看作是一個圓柱形，并且能夠整體進行旋轉。但如果仔細觀察貓在下落時的身體狀態，你會發現貓的上半身和下半身也在旋轉，并且是沿著兩個不同的方向轉動。而此時，角動量守恒得以保留，其變化為零。
貓貓空中轉體模型示意圖
根據這一觀察，麥克斯韋提出了“花樣滑冰運動員”的解釋，他認為貓在下落時，可以通過扭轉身體肌肉來創造一個內部力矩，就像花樣滑冰運動員在旋轉身體時收緊雙臂來增加角速度，此時，貓的前爪會收縮，同時上半身以自身為軸快速旋轉。
一旦貓的上半身旋轉到正確的位置（即頭部朝向地面），貓的下半身也開始旋轉，只不過行為與上半身相反——伸展后肢，并且朝著相反的方向，以此來產生盡可能大的慣性矩。
如此一來，貓的后肢也追上了前爪，現在貓的四肢都朝下，貓順利著陸！
圖源Dreamstime.com
值得一提的是，貓能夠完成這種特殊的“空中轉體”動作得益于它們特殊且靈活的脊柱，因此這種能力對于貓來說是與生俱來的。
科學家將這種行為稱為貓的翻正反射，就像人的膝跳反射一樣，通常只要貓的身體處于非正常狀態下，它們都會反射性地要將身體回到正常狀態（四肢朝下）。
貓以何種姿勢落地最佳？
一般而言，當一個有質量的物體從越高的地方墜落，所受到的沖擊力也越大，這是物理定律所決定的，然而對貓而言，這條“鐵律”似乎受到了沖擊。
在20世紀80年代，紐約市的兩名獸醫進行了一項研究，他們收集了1984年6月到11月之間發生的132起貓咪墜樓事件，其中，貓的生還率達到了90%。
然而，當獸醫們查看貓的具體受傷情況時卻發現了一個奇怪的現象，雖然貓的受傷程度會隨著高度的升高而增加，但自7層樓往上，貓的受傷程度居然還有所下降。
也就是說：從11層樓墜落的貓或許比從6層樓墜落的貓受傷更輕！
而我們都知道，物體從越高的樓層下落，受到的地球引力加速也越久，它的速度也會越來越快，直至最后落地。突然的撞擊會使動物下落的動能轉化為其他形式的能量，從而導致骨折、胸部塌陷甚至當場死亡，因此，從越高樓層墜落應該會比更低樓層墜落受傷更重。
這只小貓從26層高樓墜落，摔斷了一只前爪 圖源SPCA
此刻，物理定律似乎對貓不起作用了。
但另一種可能性是，人們在思考貓的自由落地時忽略了空氣阻力，實際上，貓在空氣中下落會受到阻力，從而減緩下落速度。
因此，貓在下落時會受到兩種相反的作用力，即重力和空氣阻力（摩擦力），重力很好計算，貓的質量與重力加速度的乘積，但空氣阻力取決于橫截面積、阻力系數、空氣密度以及下落速度等多重因素。
剛開始下落時，貓的初始速度為0，此時只有重力引起的加速度作用在貓身上，而隨著速度越來越快，貓會感受到與重力相反的空氣阻力。
與此同時，貓的翻正反射啟動，它們會本能地將四肢調整向下，以四肢著地。但這種姿勢會讓四肢受到巨大的沖擊，從而受到嚴重傷害，因為貓的重量分布不均勻。這也解釋了為什么在七樓以下，貓還能遵守物理定律。
但在更高的樓層，獸醫認為貓在下落過程中會感受到阻力的存在，減少其失重感，這樣它就可以放松身體，不會把腿伸直，重量分布更均勻，從而有更大的生存機會。
當然，貓在下落過程中，實際的經歷可能會更復雜，所以為了貓貓的安全考慮，最好還是不要讓它們處于危險的境地之下。
參考文獻：
劉延柱.自由下落貓的轉體運動[J].力學學報, 1982(04):80-85.DOI:10.6052/0459-1879-1982-4-1982-046.
How Does a Cat Always Land on its feet？
http://helix.gatech.edu/Classes/ME3760/1998Q3/Projects/Nguyen/
Cat righting reflex
Why Do Cats Land on Their Feet? Physics Explains
https://www.scientificamerican.com/article/why-do-cats-land-on-their-feet-physics-explains/
A simple model for the falling cat problem
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6404/aaac06
作者：魚魚
中國科普作家協會優秀科普作品銀獎獲得者
清蒸魚頭、麻辣魚頭等各種魚頭愛好者
責編：董小嫻
上一篇：臨近高考，補腦食物大比拼！核桃竟然是倒數？第一名你肯定想不到
下一篇：返回列表
【免責聲明】本文轉載自網絡，與科技網無關。科技網站對文中陳述、觀點判斷保持中立，不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。