2022年03月16日 11:30
【科學快訊】
來源： 中科院物理所
貓咪們個個都是跑酷高手，即使在飛簷走壁時不慎摔落，大多數情況下也總能安全落地，所以大家常說「貓有九條命」。
盡管貓咪不可能真的有九條命，但人們對貓咪的這種贊譽也表明，貓咪似乎的確身懷絕技，無論是以哪種姿態摔落下來，它們總是能夠四腳著地，所以不容易受傷。
聰明的貓總是能四腳著地，
動圖來自 | 抖音@Xizi1313 ；
笨的貓就。。。。。。
貓咪們到底是怎麼做到安全落地的呢？關於這個「落貓」問題，許多科學家們表示很感興趣。
其中最著名的科學家當屬麥克斯韋了。這位被譽為「僅次於牛頓和愛因斯坦」的英格蘭數學物理學家不僅在電磁學領域擁有舉世矚目的成就，還對落貓問題頗感興趣。他通過多次嘗試發現，貓咪總能在電光火石間瞬時扭轉身軀，安全著地。
當然，麥克斯韋做的這些科學小實驗還不夠嚴謹。1984年，法國科學家馬雷發明了一支攝影槍，可以在1秒內連續拍攝12張照片。
得益於這種新型的攝像技術，人們才終於可以將整個落貓過程一覽無餘：四肢朝天的貓咪在空中靈巧地憑空翻轉了180°，然後安穩落地。
這種高難度動作對我們人類來說也只能是「看看得了」，但對貓咪來說卻如同吃飯喝水一般簡單，這是因為有一種叫做「翻正反射「的生物反射已經深深地刻在了貓咪的基因裏。
倘若我們也擁有這一技能，恐怕武俠小說和電視劇裏的墜崖橋段就要被改寫了。
貓咪絕技之一：翻正反射✦
翻正反射是貓咪與生俱來的一種天賦，一般3周大的小貓便初步具有了翻正反射，6-9周大的小貓就已經將這門絕技修煉的爐火純青了。
正是這一絕技的存在，貓咪們才能在空中克服角動量守恒定律，瞬間將處於不利姿態的身體調整為四腳朝下的安全落地狀態。
那麼，角動量守恒又是什麼呢？
簡單來說，角動量是一種用來描述物體旋轉狀態的物理量，與旋轉速度和旋轉半徑有關。物體的旋轉速度越快，旋轉半徑越大，它所具有的角動量也就越大。
而角動量守恒則是指，當物體處於穩定的旋轉狀態，或是靜止狀態時，如果不借助於外力的作用，它將一直保持旋轉或靜止狀態，也就是角動量總是保持不變。
貓咪全身有上百塊骨骼和肌肉組織，對身體各個部分都具有強大的控制力。所以，貓咪可以在空中靈活地扭動身體，並憑借著微弱的空氣阻力和重力，從而順利完成翻正反射，打破角動量守恒的約束。
1969年，美國斯坦福物理學家Kane給出了一個關於貓咪翻正反射原理的令人信服的解釋。
他將貓咪翻正反射的過程分為三步：
第一步，彎曲自己的身體
仰面朝天跌落之初，貓咪會盡量弓起自己的身體。
如果把貓咪看作一個整他，那麼它在空中將無法轉動；但如果把貓咪身體的前和後看作可以獨立轉動的兩部分，那就有了非常大的運動空間。
第二步，調整前肢的朝向
貓咪通過「扭麻花「的方式來調整前肢的朝向。在扭麻花時，身體的前、後兩部分各自朝相反的方向扭動。同時，貓咪還會盡量收縮前肢、伸展後肢。
根據角動量守恒定律，身體前半部分的轉動半徑降低，旋轉速度提高，更容易旋轉；而後半部分則旋轉半徑增加，旋轉速度下降，更難做到旋轉。
這樣一來，當貓咪身體的前半部分已經轉過了將近180°時，後半部分身體才向反方向轉了10°左右。
如此便可以在保持身體後半部分幾乎不發生轉動的情況下，將前半部分身體調整為前肢朝下的姿勢。這一過程中身體前、後兩部分所產生的角動量相互抵消，角動量守恒仍然成立。
第三步，調整後肢的朝向
接著貓咪會采用相反的扭麻花方式來扭動身體，並盡量伸展前肢、收縮後肢，讓身體的後半部分比前半部分更容易旋轉。
這樣便可以在身體前半部分幾乎不動的情況下，將後半部分調成為後肢朝下的姿勢。
簡而言之，貓咪憑借對全身肌肉骨骼的強大控制力，將身體「分解」成了兩個不同的運動單元。
這兩個運動單元同時進行方向相反的扭麻花旋轉運動，就可以在保證角動量不變的同時，及時將身體調整為四肢朝下落地的姿勢。
科學家們還在研究中發現，在失重狀態下的貓咪無法順利扭轉身體，這說明重力對翻正反射的完成起到了重要作用。
畢竟，失重環境下已經沒有了「地面「的概念。
貓咪絕技之二：可高效緩沖的四肢軀幹✦
讓身體在空中翻個面，就可以安全落地了嗎？No No No，貓咪還要施展另一項絕技——通過四肢的運動來減緩下落時的沖擊力，實現高效緩沖的作用。
貓咪的四肢就像是一套靈活的機械連杆結構，可以穩定迅速地折疊和舒展。而發達地肌肉則像是阻尼器、衰減器一樣，可以為貓咪軀幹提供強有力的支撐和緩沖。
貓咪的落地緩沖絕技非常高效，可以有效避免自身受到沖擊力的傷害。跑酷高手在從高處跳下時，也會使用類似的方法，在落地瞬間彎曲腿部來減緩沖擊力。
不過接下來他們還需要在地上就勢翻滾，這樣才能徹底將跌落的動能消耗掉。
研究人員還借鑒貓咪的大腿結構，設計出了一種仿生航天器著陸緩沖裝置，可以實現航天器的安全降落。
貓咪絕技之三：結構精巧的貓掌✦
貓咪腳掌的肉墊不僅厚，而且摸起來軟軟的，還頗有彈性。這主要是由於肉墊中存在著由膠原纖維和彈性纖維組成的三維立體網狀結構，而這些網狀結構的腔室內則填充著大量脂肪。
這種精巧的貓掌結構非常適合用來緩沖吸能：網狀骨架可以在腳掌觸底時提供穩定的支撐，使貓咪可以牢牢地抓住地面；網狀骨架之間的摩擦作用可以消耗一部分沖擊力；而柔軟、較有彈性的脂肪顆粒則可以進行緩沖。
所以，貓咪腳掌的這種獨特功能可以幫助貓咪安全落地。科學家還借鑒貓掌的這種多層次結構，開發出了一種貓掌仿生複合材料。
正是有了這三門絕技，貓咪才能夠在不慎摔落時不摔傷、不致死。
不過，貓咪在人類面前終究是脆弱的生靈，請記住它們陪伴我們的每一個日子。如果你養貓就善始善終，溫柔以待，不拋棄、不虐待。
如果貓咪沒有尾巴，下落時還會四腳著地嗎？↓ ↓ ；
參考文獻：
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END
