【每日知地着脚用要识】猫为什么要用脚着地

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光明顶科研-每日知识栏目-20230727

长期以来，物理学家一直对猫总是用爪子着地的方式感到困惑。图片来源：毛里求斯 images GmbH/Alamy Stock Photo

据报道，2018 年在纽约市，一只猫从 32 层公寓的窗户掉到坚硬的沥青上，并幸存下来。在兽医那里呆了两天，治疗了肺部塌陷和牙齿断裂后，这只四足朋友终于回家了。很可能其他类似的情况也 催生了 “猫有九命”的谚语。几十年来，来自各个学科的研究人员一直试图了解它们惊人的生存技能。

但 19 世纪末，首先让物理学家感到困惑的并不是动物从令人晕眩的高度坠落。相反，专家们对猫在坠落时绕自己的轴旋转然后用脚着地的照片感到困惑 。当时的图像显示，一个人抓住一只猫的腿，使其背部面向地面。然后动物被释放。起初，猫科动物倒挂在空中，背部面向地面。但在接下来的镜头中，发生了一些似乎违反物理定律的事情：猫转身并用爪子着地。

我们从日常观察中知道这些四足动物可以在空中转动。但我们普遍认为，它们是通过从它们下落的表面上推出来获得这种运动所需的动量的。这是因为根据角动量守恒，一个不自转的物体不可能在没有外界影响的情况下突然旋转。但这正是照片所显示的。最初，猫直接跌落。然后它设法绕自己的轴旋转。这怎么可能？

几十年来，猫的坠落一直困扰着物理学家。这些照片拍摄于 1894 年

这一现象吸引了许多科学家的关注，其中包括以其电磁学研究而闻名的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他进行了多项实验，将猫从不同高度（包括从打开的窗户）扔到床上和桌子上。 但直到1969年， “猫掉下来的问题”才得到解决。事实证明，猫的身体考虑得还不够仔细。它不仅仅是一个神奇地开始旋转的圆柱形物体。如果你仔细观察，你会发现猫的上半身和下半身以相反的方向旋转。 角动量守恒得以保留。如果动物像胡椒磨一样向两个不同方向旋转，则角动量的变化为零。

但猫是如何用爪子着地的呢？ 为此，猫科动物利用了经典力学的物理定律：通过将前爪靠近身体，它们可以减少惯性矩。就像花样滑冰运动员一样，他们的上半身绕着自己的轴快速旋转。然后，动物用后腿发挥相反的效果。他们伸展双腿以产生尽可能大的惯性矩。结果，上半身旋转的角度较大，而腿部向相反方向旋转的角度较小。动物极其灵活的脊柱使这种运动成为可能。一旦上半身处于正确的位置（即头部在地面上直立），猫就可以伸展前爪，收紧后腿，并向相反方向进行类似胡椒磨的动作，以便后爪能够保持平衡。也在地面上方对齐。

猫能从多高的地方摔下来并生存？

物理定律表明，跌落得越高，冲击力就越大。 但 20 世纪 80 年代的一项研究描绘了一幅不同的图画——至少对于猫来说是这样。纽约市的两名兽医描述了 1984 年 6 月至 11 月期间总共发生的 132 起猫从高层建筑 32 层坠落的案例。总体而言，90% 的猫幸存下来。当兽医记录伤害时，他们做出了惊人的观察：虽然伤害的严重程度增加到大约七层楼的高度，但此后似乎有所下降。换句话说，对于猫来说，从 11 楼跌落的结局比从 6 楼跌落的结局要温和。

猫科动物似乎再一次打破了物理定律。物体坠落的楼层越高，地球引力加速的时间就越长。 它的速度应该越来越快，直到最终落地。突然的撞击会将动物的动能转化为其他形式的能量，这可能会导致骨折、肺部塌陷甚至更糟。 从高楼层坠落应该比从低楼层坠落造成更不愉快的后果。

但这种关于猫科动物自由落体的思考方式忽略了空气阻力。毕竟，猫不会在真空中跌落到地面，而是通过空气移动，从而减缓跌落速度。 猫在跌倒时会受到两种相反的作用力：重力Fg 和摩擦力FR，这会减慢猫的速度。

根据猫的横截面和重量，你最终会得到一条曲线，该曲线在开始时快速增长，然后变平并收敛到一个恒定值：动物在空气阻力之前在下落开始时快速获得速度正如东南路易斯安那大学的物理学家瑞德·阿兰 (Rhett Allin) 为《连线》杂志计算的那样，最终会变得如此强大，以至于不再加速 。

当猫从较高的高度下降时，不一定会下落得更快。

你还可以非常轻松地计算该终端速度或速度上限。因为在这种情况下，当摩擦力恰好与重力一样大时会产生最终速度，因此这两个力相互抵消，并且下落的物体以恒定速度垂直落向地面。

为了找出猫在什么高度达到这个终端速度，我们可以求解微分方程，从而计算出撞击时的速度作为坠落高度的函数。

可以根据猫科动物坠落的高度来计算其最终速度。

从图中可以看出，猫在100米的坠落高度时已经达到了每秒30米的速度。由于已经观察到猫从较高建筑物（例如从 32 层）坠落时仍能幸存，因此理论上它们可以在最大可能终端速度 120 公里/小时的撞击中幸存下来。 从理论上讲，这些动物从任何可以想象的高度坠落都可以幸存。

但这种终端速度计算并不能解释纽约兽医的观察结果：为什么猫从七楼或更高的地方摔下来比从较低的楼层摔下来更能幸存？一种解释涉及动物的经验。

当猫从低处坠落时，它会短暂失重。 它会本能地将腿伸到身下，以四肢着地。 在高坠落高度时，这种策略没有用：双腿对齐可能会导致严重伤害，因为动物的重量分布不均匀。这种差异可以解释为什么生存率随着高度的增加而降低——至少到了七楼。但在较高的坠落高度下，坠落过程中摩擦力会变得明显。 兽医推测，这就是为什么猫不再有跌倒的感觉。这样，它就可以放松，不会伸长腿。它着陆更平稳，重量分布更均匀，因此生存机会更大。

但对于这一观察结果还有一个更简单的解释——尽管这对动物爱好者来说更令人沮丧。兽医的发现可能反映了所谓的生存偏差。如果一只猫从高处坠落并立即死亡，主人可能不会费心去兽医诊所。 未报告的死亡人数可能高于医疗专业人员记录的死亡人数。

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猫咪这6个身体部位冷知识

1、附耳

指的是猫咪耳后下部形成一个开放性袋状的皮肤褶皱。

附耳的作用有这3种：

（1）分辨音频。依靠附耳滤除低音来检测猎物的高音

（2）收集声音。使猫咪的耳朵能够独立地移动，收集声音信息。

（3）表达情绪。有助于猫咪表达情绪，比如猫咪是害怕、紧张还是生气都能看出来。

2、趾跟球

位于猫咪双前爪脚底的肉垫下方。

它的作用是保护脚腕关节的，当猫咪从高处跳下来时，富有弹性的小肉球就可以缓解冲击力，让猫咪平稳地落地。

细心的铲屎官会发现，趾跟球附近还可以看到一些触须，它的作用类似猫咪的胡须，是用来感应气流变化、测量洞内环境的。

3、第三眼睑

猫咪的第三眼睑平常是看不到的，如果第三眼睑外漏的话，那说明猫咪眼部出现了问题，这个时候一定要先戴好头套，防止猫咪抓挠。不清楚情况的，需要送医处理。

4、犁鼻器

犁鼻器是在鼻腔前面的一对盲囊，开口于口腔顶壁的一种化学感受器。

主要作用是传递嗅觉信号的功能。犁鼻器能吸收更多的信息素和气味，区别于鼻子吸入气味的不同路径，犁鼻器的嗅觉信息，会传达到大脑，然后猫咪才会出现各种表情。

5、肛门腺

是猫咪肛门附近的囊袋状的腺体，左右各有一个。

肛门腺会分泌含有臭味的液体。肛门腺很容易堵塞，从而引发肛门腺炎，导致猫咪排便痛苦。正常情况下肛门腺不需要帮助挤。

平时宠主注意让猫咪运动，吃得清淡些，可以防止肛门腺堵塞的情况，如果你看见猫咪出现用屁股摩擦地面等现象，则需要检查肛门腺是否发炎红肿、堵塞了。

6、原始袋

猫咪这块小肚腩，并不是因为猫咪胖，而是猫咪的原始袋。是猫科动物身上都存在的原始特征。可以保留食物营养，不至于被饿死。

原始袋是一层脂肪一层皮肤所组成的，所以它相当的柔软，主要作用是能够让猫咪的腹部具有更大的伸展性，使得猫咪整个身体能够更大幅度的运动。而且猫咪跟别的猫打架时，原始袋可以保护好它们自己的腹部。