貓從高處下落,爲何總能四腳著地?此現象讓科學家研究了上百年


貓從高處下落,爲何總能四腳著地?此現象讓科學家研究了上百年

2021-01-15 慧眼科學

貓從高處落下,爲何總能四腳著地而非背部朝下?真相出來了!

跟貓相處久了,會發現一個很神奇的現象:貓每次高高跳起再落回地面的那一瞬間,總是能夠以四腳著地,從來不會出現背部朝下摔得四腳朝天。即使你把一隻貓抱起來,讓它的腳朝上背朝下,然後鬆手使它下落,它依然能夠迅速調轉身體以四腳著地。爲什麼會這樣?其實科學家也對這個現象研究了上百年時間。

用物理學語言來說,此問題可以轉換成:在不違反角動量守恆定律的前提下,貓是怎麼做到在下落過程中從四腳朝天變成四腳朝下的?

以人類從高處墜落爲例,根據角動量守恆定律,我們從高處向地面自由落體的過程中,角動量的初始方向怎樣,就會一直保持這個方向,直到落地都不會改變。比如說,我們以雙腿朝下的姿勢下落,先著地的是雙腿;以頭部朝下的姿勢下落,先著地的就是頭部。

然而,貓就不一樣了。如果將貓下落的過程放慢,我們可以看到它在空中做的特別動作:它會利用眼睛或者耳朵里的半規管來判斷方向,弄清楚哪是上哪是下;整個下落過程的前一段並沒有轉動身體,當它落到一半時才轉動,緊接著便以新的姿勢下落,直到落地。

貓在半空中轉動身體的現象似乎違背了牛頓第一定律,因爲它在沒有受到外力的作用下卻改變了運動狀態。將貓在空中翻轉身體的動作再放慢一點,可以看到它的尾巴也會轉動,並且轉動方向跟身體的轉動方向相反。於是,科學家便猜測貓總能四腳著地可能與尾巴有關。

但事實卻是,就算某隻貓失去了尾巴,它照樣能夠在下落時以四腳著地。由此可見。貓的尾巴並不是問題的決定因素。

二十世紀六十年代,國外一研究團隊爲了觀察貓在失重情況下的下落過程,帶了幾隻貓進入太空艙,讓貓在太空艙內下落。當貓試圖轉動尾巴翻身的時候,並沒產生效果,而是像失去了控制一樣往下墜落。

不過,當貓拱起背部翻身時,有趣的事情發生了。此時它會收起前爪,加快脊柱的旋轉,這跟花樣滑冰運動員旋轉一個道理,貓通過踢後腿和旋轉臀部來增加轉動慣量,並阻礙前半身的轉動。由於前後兩半身的轉動方向相反且力度相等,使得兩個力矩相互抵消,並不違反角動量守恆定律。

就這樣,貓在整個下落的過程中,最初從頭部開始轉動,讓身體慢慢翻轉過來,然後伸展四肢,準備以四腳著地。這一系列動作都是由貓的快速神經反射決定的,這種反射叫做「空中翻正反射」,此反射能讓貓在1秒鐘不到的時間裡快速翻轉身體,最後以四腳著地。

當然了,你也不能讓貓下落的高度太低,要保證下落高度能讓貓在空中運動至少1秒鐘,不然它就沒有充足的時間來調整身體著地的姿勢,從而你就會看到它在落地時身體並不穩定,而是踉踉蹌蹌。原來,貓總能以四腳著地,背後是生理機制和物理規律在起作用。