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看我72转:猫如何在空中自由转身

来源:科普中国-科学原理一点通 2017-06-13     王 慧

    淘气的小朋友将一只猫抓起来举在手上,想要将猫丢下来,让它摔个“大马趴”,猫咪背朝下、脸朝上地挣扎着,似乎意识到了危险即将来临。没想到小朋友刚一松手,猫咪就灵巧地、迅速地在空中翻过身来,四脚着地稳稳地落在了地上。毫发无伤的猫咪悠闲地走开了,剩下小朋友目瞪口呆,还没明白发生了什么事。

  能在空中自由转身的“体操冠军”

  这有趣的一幕是很多人在日常生活中都遇见过的,即便从非常高的地方掉下来,猫通常也不会被摔死或者受伤。这是因为,它们能够在空中自主地、快速地转动身体,从而实现四脚着地,这大大缓冲了从空中掉落下来而产生的重力。而且,猫翻转过身体后,通常会将四肢伸展开,这也能够最大限度地形成空气阻力,从而对下降的力度、速度进行缓冲。因此,即便不慎从高处坠落,猫也通常不会死。这也是为什么人们认为“猫有九条命”的原因。如果换做是狗或者其他动物,往往就因为没有猫的独特技能而无法幸免于难了。

  1984年,法国的科学家马雷通过专业设备,首次将猫自空中降落的过程拍摄下来,然后,通过专业测速设备对这一过程进行了精准分析后,他发现,猫在降落过程中翻转身体的速度是非常快的,仅需1/8秒即可完成。

猫在空中转身

    转尾巴?还是转脊椎?

  如此短暂的时间,猫是如何实现在空中自由转身的呢?通常来说,当我们借助某个外力或者外在物体的支撑时,很容易能够做到自由转身。但是,猫在空中自由降落的时候,是无法借助任何外力的,从物理学上来说,此时猫的运动是没有外力矩的,猫如果想自己产生一种力量实现转身,那么只能是相反的力量。也就是说,如果猫的前半身想要以顺时针方向转动,那么,后半身必须得产生一个以逆时针方向转动的力量。如此一来,猫才能够从理论上实现自由转身。但理论归理论,实际上,猫可从来没有把自己扭成一团过。也就是说,上述假设无法成立。

  20世纪60年代,一种新的假设开始出现。当时,(前)苏联力学专家洛强斯基提出了“转尾巴”的假设。他认为,猫并不是借助身体的扭动来形成力矩的,而是借助于自己的尾巴所产生的反作用力,当尾巴在空中急速转动时会产生一种空气阻力。这个空气阻力帮助猫的身体往反方向翻转过去。这样一来,猫就能在空中实现自由转身了。

  这个理论看似比较合理。因为飞机就是借助于螺旋桨的高速转动而向前飞行的,而且现实生活中,猫的尾巴确实又长又灵活,能够起到一定作用。

  但是很快,这项假设也被推翻了。英国生理学家麦克舰,找了几只天生就没有尾巴的猫做了一组实验,结果发现,即便这些猫没有尾巴,它们也依然能够在空中实现自由转身。“转尾巴”假设也就不攻自破了。

  还有一种与“转尾巴”假设类似的解释是“弯脊椎”理论。这一理论提出,当猫在空中落下时,它们首先会将整个身体向中间弯曲,随后其脊椎开始向各个不同方向弯曲,这种不同方向的力量汇集在一种,最终能使猫的前半身翻转180°。此时,借助于前半身翻转的力量,猫的后半身就能够自然而然地产生一种与这一力量的方向、大小都全然相反的动量矩,借助于这一力矩的力量,猫的身体就能够被整个拉转过来,实现四脚朝地。

  为了验证这一“弯脊椎”的假设是否合理,1969年,美国的力学教授凯恩专门做了一项实验。他找到一只死去的猫,把它的身体分割成14块,分别测出了每一块的质量,将这些数据都输入电脑。之后,他使用“弯脊椎”理论的数学模型,借助电脑程序进行了运算,并将运作结果以电脑仿真技术模拟出画面。最终输出的图形表明,当猫的前半身翻转一周时,其整个身体能够借助这一翻转产生的力量反向转动,并且最终能够转动180°。这一运作结果,与马雷通过高速摄像机拍下的猫在下落过程中真实转身的画面完全吻合。正因为如此,“弯脊椎”开始成为目前公认的、能合理解释猫为何能在空中转体的唯一理论。

  当然,除了能“弯脊椎”之外,猫之所以能够在空中实现自由转身,还因为猫的体型较小,重力较轻。而且在下落过程中,猫能将四肢充分伸展,因此表面积大,可以产生更多阻力。人从空中下落的最高时速为210千米,而猫只有100千米,从这个角度来说,即便人学会了像猫一样“弯脊椎”、把四肢充分伸展,也无法保证不被摔死或者摔伤。

花样滑冰

    猫的“模仿秀”

  猫的这一独特技能被现代体育技术充分借鉴和应用。在很多体育项目中,一些高难度动作是需要在空中实现的,比如花样滑冰、蹦床、跳高、跳水等。在花样滑冰中,运动员们跳跃起来之后,在空中高速转体的技巧,就是借鉴了猫的特殊技能。

  审校:李志洪