把猫倒着扔下去，聪明的会四脚着地，笨的则......

2022-03-14 09:21:47 来源：科普中国

猫咪们个个都是跑酷高手，即使在飞檐走壁时不慎摔落，大多数情况下也总能安全落地，所以大家常说“猫有九条命”。

尽管猫咪不可能真的有九条命，但人们对猫咪的这种赞誉也表明，猫咪似乎的确身怀绝技，无论是以哪种姿态摔落下来，它们总是能够四脚着地，所以不容易受伤。

聪明的猫总是能四脚着地，动图来自 | 抖音@Xizi1313

笨的猫就......

猫咪们到底是怎么做到安全落地的呢？关于这个“落猫”问题，许多科学家们表示很感兴趣。

其中最著名的科学家当属麦克斯韦了。这位被誉为“仅次于牛顿和爱因斯坦”的英格兰数学物理学家不仅在电磁学领域拥有举世瞩目的成就，还对落猫问题颇感兴趣。他通过多次尝试发现，猫咪总能在电光火石间瞬时扭转身躯，安全着地。

当然，麦克斯韦做的这些科学小实验还不够严谨。1984年，法国科学家马雷发明了一支摄影枪，可以在1秒内连续拍摄12张照片。

得益于这种新型的摄像技术，人们才终于可以将整个落猫过程一览无余：四肢朝天的猫咪在空中灵巧地凭空翻转了180°，然后安稳落地。

猫咪落地的过程，阅读顺序为从右到左（图源：文献[1]）

这种高难度动作对我们人类来说也只能是“看看得了”，但对猫咪来说却如同吃饭喝水一般简单，这是因为有一种叫做“翻正反射“的生物反射已经深深地刻在了猫咪的基因里。

坠崖者通常仰面朝天，四肢慌乱晃动却毫无办法

倘若我们也拥有这一技能，恐怕武侠小说和电视剧里的坠崖桥段就要被改写了。

猫咪绝技之一：翻正反射✦

翻正反射是猫咪与生俱来的一种天赋，一般3周大的小猫便初步具有了翻正反射，6-9周大的小猫就已经将这门绝技修炼的炉火纯青了。

正是这一绝技的存在，猫咪们才能在空中克服角动量守恒定律，瞬间将处于不利姿态的身体调整为四脚朝下的安全落地状态。

那么，角动量守恒又是什么呢？

简单来说，角动量是一种用来描述物体旋转状态的物理量，与旋转速度和旋转半径有关。物体的旋转速度越快，旋转半径越大，它所具有的角动量也就越大。

而角动量守恒则是指，当物体处于稳定的旋转状态，或是静止状态时，如果不借助于外力的作用，它将一直保持旋转或静止状态，也就是角动量总是保持不变。

猫咪全身有上百块骨骼和肌肉组织，对身体各个部分都具有强大的控制力。所以，猫咪可以在空中灵活地扭动身体，并凭借着微弱的空气阻力和重力，从而顺利完成翻正反射，打破角动量守恒的约束。

1969年，美国斯坦福物理学家Kane给出了一个关于猫咪翻正反射原理的令人信服的解释。

猫咪翻正反射的过程（图源：文献[2]）

他将猫咪翻正反射的过程分为三步：

第一步，弯曲自己的身体

仰面朝天跌落之初，猫咪会尽量弓起自己的身体。

如果把猫咪看作一个整他，那么它在空中将无法转动；但如果把猫咪身体的前和后看作可以独立转动的两部分，那就有了非常大的运动空间。

第二步，调整前肢的朝向

猫咪通过“扭麻花“的方式来调整前肢的朝向。在扭麻花时，身体的前、后两部分各自朝相反的方向扭动。同时，猫咪还会尽量收缩前肢、伸展后肢。

根据角动量守恒定律，身体前半部分的转动半径降低，旋转速度提高，更容易旋转；而后半部分则旋转半径增加，旋转速度下降，更难做到旋转。

这样一来，当猫咪身体的前半部分已经转过了将近180°时，后半部分身体才向反方向转了10°左右。

如此便可以在保持身体后半部分几乎不发生转动的情况下，将前半部分身体调整为前肢朝下的姿势。这一过程中身体前、后两部分所产生的角动量相互抵消，角动量守恒仍然成立。

第三步，调整后肢的朝向

接着猫咪会采用相反的扭麻花方式来扭动身体，并尽量伸展前肢、收缩后肢，让身体的后半部分比前半部分更容易旋转。

这样便可以在身体前半部分几乎不动的情况下，将后半部分调成为后肢朝下的姿势。

简而言之，猫咪凭借对全身肌肉骨骼的强大控制力，将身体“分解”成了两个不同的运动单元。

这两个运动单元同时进行方向相反的扭麻花旋转运动，就可以在保证角动量不变的同时，及时将身体调整为四肢朝下落地的姿势。

落猫过程的运动分解（图源：文献[3]）

科学家们还在研究中发现，在失重状态下的猫咪无法顺利扭转身体，这说明重力对翻正反射的完成起到了重要作用。

NASA的落猫实验（图源：维基百科）

毕竟，失重环境下已经没有了“地面“的概念。

猫咪绝技之二：可高效缓冲的四肢躯干✦

让身体在空中翻个面，就可以安全落地了吗？No No No，猫咪还要施展另一项绝技——通过四肢的运动来减缓下落时的冲击力，实现高效缓冲的作用。

猫咪的四肢就像是一套灵活的机械连杆结构，可以稳定迅速地折叠和舒展。而发达地肌肉则像是阻尼器、衰减器一样，可以为猫咪躯干提供强有力的支撑和缓冲。

猫咪的大腿结构（图源：文献[4]）

猫咪的落地缓冲绝技非常高效，可以有效避免自身受到冲击力的伤害。跑酷高手在从高处跳下时，也会使用类似的方法，在落地瞬间弯曲腿部来减缓冲击力。

不过接下来他们还需要在地上就势翻滚，这样才能彻底将跌落的动能消耗掉。

翻滚缓冲

研究人员还借鉴猫咪的大腿结构，设计出了一种仿生航天器着陆缓冲装置，可以实现航天器的安全降落。

航天器仿生降落支架（图源：文献[4]）

猫咪绝技之三：结构精巧的猫掌✦

猫咪脚掌的肉垫不仅厚，而且摸起来软软的，还颇有弹性。这主要是由于肉垫中存在着由胶原纤维和弹性纤维组成的三维立体网状结构，而这些网状结构的腔室内则填充着大量脂肪。

猫掌的微观结构以及等效简化结构（图源：文献[5]）

这种精巧的猫掌结构非常适合用来缓冲吸能：网状骨架可以在脚掌触底时提供稳定的支撑，使猫咪可以牢牢地抓住地面；网状骨架之间的摩擦作用可以消耗一部分冲击力；而柔软、较有弹性的脂肪颗粒则可以进行缓冲。

所以，猫咪脚掌的这种独特功能可以帮助猫咪安全落地。科学家还借鉴猫掌的这种多层次结构，开发出了一种猫掌仿生复合材料。

人工制备的猫掌仿生材料的微观结构（图源：文献[5]）

正是有了这三门绝技，猫咪才能够在不慎摔落时不摔伤、不致死。

不过，猫咪在人类面前终究是脆弱的生灵，请记住它们陪伴我们的每一个日子。如果你养猫就善始善终，温柔以待，不抛弃、不虐待。强烈建议，领养代替购买！

如果猫咪没有尾巴，下落时还会四脚着地吗？↓ ↓

参考文献：

[1] Photographs of a Tumbling Cat. Nature 51, 80–81 (1894) doi:10.1038/051080a0

[2] How does a cat fall on its feet?, The New Scientist, vol. 7, no. 189 (1960), pp. 1647-9.

[3] T. R. Kane & M. P. Scher, Department of Applied Mechanics. Stanford University, California, “A Dynamical Explanation Of The Falling Cat Phenomenon,” Int. J. Solids Structures. 1969. Vol. 5. pp. 663 to 670

[4] 袁英男. 基于仿猫腿的新概念载人登月着陆器研究[D]. 南京航空航天大学,2020.

[5] Wenjiang Lu, et al. Hierarchical network structural composites for extraordinary energy dissipation inspired by the cat paw[J]. Applied Materials Today.2021：101222.

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审核专家：冉浩，知名科普作家。

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责编/小西途说

关键词：翻正反射角动量守恒旋转速度