來源： 中科院物理所

　　貓咪們個個都是跑酷高手，即使在飛檐走壁時不慎摔落，大多數(shù)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(tài)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。。。。。。

　　貓咪們到底是怎么做到安全落地的呢？關(guān)于這個“落貓”問題，許多科學(xué)家們表示很感興趣。

　　其中最著名的科學(xué)家當(dāng)屬麥克斯韋了。這位被譽為“僅次于牛頓和愛因斯坦”的英格蘭數(shù)學(xué)物理學(xué)家不僅在電磁學(xué)領(lǐng)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(fā)現(xiàn)，貓咪總能在電光火石間瞬時扭轉(zhuǎn)身軀，安全著地。

　　當(dāng)然，麥克斯韋做的這些科學(xué)小實驗還不夠嚴(yán)謹(jǐn)。1984年，法國科學(xué)家馬雷發(fā)明了一支攝影槍，可以在1秒內(nèi)連續(xù)拍攝12張照片。

　　得益于這種新型的攝像技術(shù)，人們才終于可以將整個落貓過程一覽無余：四肢朝天的貓咪在空中靈巧地憑空翻轉(zhuǎn)了180°，然后安穩(wěn)落地。

　　這種高難度動作對我們?nèi)祟悂碚f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(jīng)深深地刻在了貓咪的基因里。

　　倘若我們也擁有這一技能，恐怕武俠小說和電視劇里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(jīng)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，瞬間將處于不利姿態(tài)的身體調(diào)整為四腳朝下的安全落地狀態(tài)。

　　那么，角動量守恒又是什么呢？

　　簡單來說，角動量是一種用來描述物體旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的物理量，與旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。物體的旋轉(zhuǎn)速度越快，旋轉(zhuǎn)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(dāng)物體處于穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或是靜止?fàn)顟B(tài)時，如果不借助于外力的作用，它將一直保持旋轉(zhuǎn)或靜止?fàn)顟B(tài)，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(qiáng)大的控制力。所以，貓咪可以在空中靈活地扭動身體，并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(xué)家Kane給出了一個關(guān)于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，那么它在空中將無法轉(zhuǎn)動；但如果把貓咪身體的前和后看作可以獨立轉(zhuǎn)動的兩部分，那就有了非常大的運動空間。

　　第二步，調(diào)整前肢的朝向

　　貓咪通過“扭麻花“的方式來調(diào)整前肢的朝向。在扭麻花時，身體的前、后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、伸展后肢。

　　根據(jù)角動量守恒定律，身體前半部分的轉(zhuǎn)動半徑降低，旋轉(zhuǎn)速度提高，更容易旋轉(zhuǎn)；而后半部分則旋轉(zhuǎn)半徑增加，旋轉(zhuǎn)速度下降，更難做到旋轉(zhuǎn)。

　　這樣一來，當(dāng)貓咪身體的前半部分已經(jīng)轉(zhuǎn)過了將近180°時，后半部分身體才向反方向轉(zhuǎn)了10°左右。

　　如此便可以在保持身體后半部分幾乎不發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況下，將前半部分身體調(diào)整為前肢朝下的姿勢。這一過程中身體前、后兩部分所產(chǎn)生的角動量相互抵消，角動量守恒仍然成立。

　　第三步，調(diào)整后肢的朝向

　　接著貓咪會采用相反的扭麻花方式來扭動身體，并盡量伸展前肢、收縮后肢，讓身體的后半部分比前半部分更容易旋轉(zhuǎn)。

　　這樣便可以在身體前半部分幾乎不動的情況下，將后半部分調(diào)成為后肢朝下的姿勢。

　　簡而言之，貓咪憑借對全身肌肉骨骼的強(qiáng)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(jìn)行方向相反的扭麻花旋轉(zhuǎn)運動，就可以在保證角動量不變的同時，及時將身體調(diào)整為四肢朝下落地的姿勢。

　　科學(xué)家們還在研究中發(fā)現(xiàn)，在失重狀態(tài)下的貓咪無法順利扭轉(zhuǎn)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(huán)境下已經(jīng)沒有了“地面“的概念。

　　貓咪絕技之二：可高效緩沖的四肢軀干?

　　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(xiàn)高效緩沖的作用。

　　貓咪的四肢就像是一套靈活的機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)，可以穩(wěn)定迅速地折疊和舒展。而發(fā)達(dá)地肌肉則像是阻尼器、衰減器一樣，可以為貓咪軀干提供強(qiáng)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?jīng)_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(jié)構(gòu)，設(shè)計出了一種仿生航天器著陸緩沖裝置，可以實現(xiàn)航天器的安全降落。

　　貓咪絕技之三：結(jié)構(gòu)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。這主要是由于肉墊中存在著由膠原纖維和彈性纖維組成的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的腔室內(nèi)則填充著大量脂肪。

　　這種精巧的貓掌結(jié)構(gòu)非常適合用來緩沖吸能：網(wǎng)狀骨架可以在腳掌觸底時提供穩(wěn)定的支撐，使貓咪可以牢牢地抓住地面；網(wǎng)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(jìn)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(xué)家還借鑒貓掌的這種多層次結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了一種貓掌仿生復(fù)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(yǎng)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(xiàn)：

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

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