簡(jiǎn)直違反物理規(guī)律:為什么貓咪落下時(shí)總是腳著地?
貓咪比人類想象的要聰明得多,作為人類的你有沒有想過一個(gè)問題:為什么貓咪落下時(shí)總是腳著地?
幾個(gè)世紀(jì)以來,科學(xué)家一共提出了四個(gè)假說來解釋這一現(xiàn)象:
第一種模式是貓?jiān)凇?strong>蜷曲和旋轉(zhuǎn)”模式下可以蜷曲自己的爪子,旋轉(zhuǎn)身體的其它部分;
第二種模式是19世紀(jì)的物理學(xué)家James Clerk Maxwell提出了名為“花樣滑冰式下降”的模式。在這種模式下,貓咪通過伸出或者蜷縮爪子來改變角動(dòng)量,從而用腳著地;
第三種模式是 “彎曲和旋轉(zhuǎn)”模式。在這一模式下,貓咪會(huì)彎下腰,反向旋轉(zhuǎn)上半身和下半身;
最后一種模式名叫“螺旋槳尾”,在這種模式下,貓咪會(huì)通過將尾巴轉(zhuǎn)向一個(gè)方向來旋轉(zhuǎn)身體,就好像是一個(gè)螺旋槳一樣。在貓咪落地時(shí),通常會(huì)采取這四種模式中的一種。
19世紀(jì)時(shí),Maxwell對(duì)這一課題展開了初步的調(diào)查。他表示,當(dāng)人們把貓咪從兩英尺(約0.61米)的高空扔下來時(shí),它們?nèi)匀荒軌蛴媚_著地。落地的時(shí)間實(shí)在太快,以至于人類的肉眼無法觀察這一過程。因此,高速攝影技術(shù)發(fā)展起來后,具體細(xì)節(jié)才得以揭秘。
Étienne-Jules Marey用高速攝影的方式拍攝到了貓咪下墜的第一批照片。因當(dāng)時(shí)的研究需要,他在為不同的動(dòng)物拍攝高速照片。
他拍攝的貓咪下墜照片震驚了整個(gè)科學(xué)界。那些見過照片的人表示,這組照片好像違背了已知的物理學(xué)定律。
照片上所顯示出的運(yùn)動(dòng)似乎非常復(fù)雜,而相關(guān)的解釋雖然是真實(shí)的,但卻并不完整。雖然足以讓物理學(xué)家相信貓咪沒有違背物理學(xué)定律,但卻很難讓每個(gè)人都相信相關(guān)的解釋是正確或完整的。
那么,文章的開頭提出了貓咪落地的四種假設(shè),哪種落地的方式是最好的呢?
其實(shí),貓咪落地的四種方式各有各的作用。如果你看到過貓咪落地的一系列高速照片或者視頻,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題幾乎成為了一個(gè)心理學(xué)問題。
不同的人總是會(huì)被不同的運(yùn)動(dòng)方式吸引注意力,但是在落地運(yùn)動(dòng)中,最重要的動(dòng)作是彎曲和旋轉(zhuǎn)兩種。貓咪之所以會(huì)彎腰并且反向旋轉(zhuǎn)上半身和下半身是為了抵消某些動(dòng)作產(chǎn)生的影響。
如果有人對(duì)這些動(dòng)作進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些動(dòng)作是貓咪翻轉(zhuǎn)的基本構(gòu)成,但除此之外,使用尾巴對(duì)動(dòng)作進(jìn)行校正,以及利用爪子發(fā)揮杠桿作用也同樣重要。
所以,如果要問哪種模式最為重要,那么彎曲和旋轉(zhuǎn),以及所涉及到的必要校正,共同構(gòu)成了貓咪成功地用腳著地的結(jié)果。
雖然,目前我們并不清楚是否有人對(duì)貓咪下落的各個(gè)模式進(jìn)行研究,并嘗試發(fā)現(xiàn)更加精確的細(xì)節(jié),但我們確實(shí)明白了貓咪下落的過程。因?yàn)樨堖涞捏w重和身長(zhǎng)不同,它們?cè)谕瓿膳で鷱澢Ⅱ榭s、翻轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)作細(xì)節(jié)上有著細(xì)微的區(qū)別。
觀看貓咪下落的視頻,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)許多貓咪都是通過尾巴完成翻轉(zhuǎn)的,但是即使沒有尾巴的貓也能完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,因此,物理學(xué)家認(rèn)為問題的關(guān)鍵在于每只貓的具體差異。針對(duì)這一點(diǎn),人們?nèi)匀淮嬖谥鵂?zhēng)議。
Gbur表示,許多物理學(xué)家并沒有意識(shí)到這個(gè)問題的復(fù)雜性,而是僅在尋找一種簡(jiǎn)單的解決方案。雖然,尋找簡(jiǎn)單的解決方案符合物理學(xué)家的直覺和本能,但大自然永遠(yuǎn)只會(huì)找尋最為有效的解決方案。
科學(xué)家試圖制造出能像貓一樣翻轉(zhuǎn)的機(jī)器人,甚至還試圖設(shè)計(jì)一種即使被倒著扔下來,也能夠正向落地的機(jī)器人。
但無論貓咪是被旋轉(zhuǎn)著拋下去,側(cè)著扔下去,還是倒著丟下去,它們最終都能用腳落地,機(jī)器人目前還做不到這一點(diǎn)。
在2003年的一篇論文中,物理學(xué)家Robert Batterman把貓咪的落地和傅科擺實(shí)驗(yàn)聯(lián)系在了一起。這一實(shí)驗(yàn)的基本概念是:許多物理問題可以在一個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)往復(fù)地發(fā)生??茖W(xué)家總是在一個(gè)特定條件下,在特定的系統(tǒng)中展開物理實(shí)驗(yàn)。接著,通過引入一些行為變化,將條件回歸到初始狀態(tài)。但無論如何,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,相關(guān)行為已經(jīng)和開始時(shí)大相徑庭。
貓咪掉落實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)很重要的例子。最初,貓咪是被脊背挺直地倒置,無論它們?cè)谶^程中怎樣旋轉(zhuǎn),它們最終都是脊背挺直地落地,只不過旋轉(zhuǎn)了180度而已。
總之,不管貓咪是如何下落的,在彎曲和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作與尾巴和爪子的配合下,它們總是能夠安全地用腳著地,但千萬不要為了觀察實(shí)驗(yàn)過程而“高空拋貓”哦!