猫从高处落下,为什么总能四脚着地?

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猫从高处落下,为什么总能四脚着地?

图片:rise-a-mui / CC0

五莲花开,天行有常,不为尧存,不为桀亡。

猫从高处落下四脚着地是需要一定条件的。

最低高度为 5 公分。低于这个高度就不能四脚着地了。但是科学研究发现,至少要在 30cm 以上的高度时猫才能安全地四脚着地。而高度太高时猫不太会以四脚着地,而且会受伤。在 1987 年的研究[1]当中发现,猫从七层楼的高度往下掉落的时候就不会四脚着地,而是选择放松身体增大空气阻力,会采用全身着地的姿势。

这个叫做 cat righting reflex,翻译成中文有五种版本,扶正反射、翻正反射、翻身反射、正位反射和复位反射。本文选择采用第二种。如果你在其他地方看到另外几个,其实我们讲的是同一件事情。

在 2004 年发表的对猫从高处掉落的案例研究[2]给出了一些数据,让我们可以看出猫落下时的情况。科学家在 1998-2001 年四年中对 119 只猫的高层掉落案例进行了统计,这些猫有 59.6% 的数量年龄不到一岁,平均跌落高度为四层楼高,大多数在高温季节跌落。96.5% 的猫存活了下来。但是它们基本上都受伤了。46.2% 的猫四肢骨折,前臂骨折占 38.5%,后肢骨折占 61.5%。胫骨骨折最常见(36.4%),其次是股骨(23.6%)。78.6% 的猫股骨远端骨折。股骨骨折患者的平均年龄为 9.1 个月,胫骨骨折患者的平均年龄为 29.2 个月。33.6% 的猫被诊断出胸外伤。诊断为气胸的猫为 20%,肺挫伤的比例为 13.4%。研究发现从七层楼及以上的高度跌落,受伤会更严重并且胸外伤发生率更高。

跌落高度与受伤概率 来源附注 2

由于对动物保护的呼声十分高涨,对猫从高处掉落的研究在最近的几十年内都很少有科学家涉足,所以我们并没有更准确的科学数据。

ps:虽然有传说猫可以从 46 层高掉落并幸存,但这是一个不太科学的案例,因为这只猫在掉落的过程中是先掉到一个树冠之上最后才掉落在地。

猫掉落的时候四脚着地是科学家一直很感兴趣的课题。这牵涉到物理学和生物学,两个学科的科学家都对这种现象进行了大量研究。

由于其中牵涉到一个非常难理解的物理学概念——角动量守恒定律。所以这一方面的中文科普也很少见,我会尽量选择用平朴的语言来解释这件事情。

猫的 righting reflex[3](翻正反射)是指猫从高处掉落时的定向本身,然后四脚着地,这属于与生俱来的能力。该反射开始出现在 3-4 周龄,并在 6-7 周完善。猫之所以能够做到这一点,是因为它们具有异常灵活的骨架,并且没有功能性锁骨。没有尾巴的猫和短尾猫也具有这种能力,因为猫主要通过伸缩后腿来保持角动量守恒,尾巴实际上很少用于完成该反射。

cat skeleton diagram cat-world.com

我们来看一下猫翻正反射的研究历史,顺便把我在物理学话题下解释猫翻正反射的回答补充一些生物学知识。如果你之前看过,应该是看过我的那个回答。

首先登场的是麦克斯韦。嗯,就是那个提出麦克斯韦方程的那个麦克斯韦。

麦克斯韦 来源:wikipedia

麦克斯韦在三一学院的时候发现了猫从高处跌落总能保持脚掌先着地,于是这位物理学家开始了实验,经过多次实验,麦克斯韦发现了猫从大概低于 5 公分的高度落下时不会脚掌先着地(后来科学家的进一步研究发现,这个高度要到 30 公分才能保证猫的安全)。不过他还是非常高兴地写信给他夫人炫耀了这个发现。

随着照相技术的发展,有一位叫做艾蒂安 - 朱尔·马雷(étienne-Jules Marey)的法国科学家也对这个现象产生了兴趣。1882 年,马雷发明了一种摄影枪,一秒能拍 12 张连续的照片,而且所有的图像记录在同一张照片上。于是我们有了这张著名的照片[4]

1984 年发表在 nature 上的猫落连续照片和马雷以及他发明的照相机 来源见附注 4

然后马雷提出了第一种解释,由于这篇文献[5]年代非常久远,我没有找到完整的正本,就引述一下英文维基的描述[6]吧。

猫利用其自身的惯量来调整其姿势。脊椎骨肌肉收缩产生的力首先作用在前脚上,此时前脚被压短,且很靠近颈部,其转动惯量很小,后脚伸出,几乎和身体轴线垂直,产生了另一个转动惯量,其旋转的方向是和前者相反的。在运动的第二阶段,前后脚的姿态相反,前脚的惯性提供了后脚转动的支点。

我们可以看到这种解释跟上图所展示出来的姿势很一致。但是还是很多物理学家依然认为猫完成脚掌先着地的原因是因为释放猫的人提前发力,让猫以释放者的手做为杠杆支点完成了这种动作。不过马雷的其中一项看法获得了大家的认可,那就是空气阻力无助于猫的翻正反射。

那么其他物理学家为什么会提出质疑呢,因为这牵涉到一个叫做角动量守恒的物理学观念。

角动量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一,实质上对应着空间旋转不变性。物理学解释为反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律;反映不受外力作用或所受诸外力对某定点(或定轴)的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点(或轴)运动的普遍规律。

角动量简单描述就是质点沿着某个轴按照一定的半径做方向性旋转的时候,会产生矢量性质的角动量。判断方式为用右手握拳,食指朝着运动方向,大拇指的方向就是角动量的方向。也就是动图中展示的那个样子。

角动量物理模型 来源:wikipedia

角动量公式表述是这个样子的

角动量守恒在生活中的应用表现就是人走路的时候要甩与所迈出大腿不同体侧的那只胳膊,因为迈腿产生的角动量需要甩一个相反方向的角动量来抵消,所以顺拐走路的时候会不舒服。因此当时的物理学家认为猫前腿往下翻的时候后腿应该往上翻。于是又产生了一种流传至今的错误解释,那就是猫尾巴在猫掉落的时候产生的角动量抵消了前半身产生的角动量,所以猫四脚着地了,通俗解释就是尾巴在这个过程中有非常大的作用。如果你仔细看马雷的照片,还真的有点像那么回事。

虽然猫的尾巴被证明在猫运动时的确有帮助平衡的作用,但是后来的实验证明无尾猫也可以完成这个动作,但是我们也依然不能完全排除尾巴的作用,只能说在翻正反射中帮助不大或者几乎没用。

在 1969 年,来自斯坦福的应用力学物理学家 Kane&Scher 发表了一篇研究报告[7]。他们将猫分为前半部分后半部分,并以圆柱为模型进行探讨。

来源附注 7 FIG1&FIG6

现在这个物理模型为大多数物理学家和生物学家所接受。

动图展示是这个样子的:

翻正反射 来源:wikipedia

在猫从高处落下时,猫内耳里的前庭构造会感知到自己的方向。

于是猫决定分三步走。

1、弯曲身体,弓腰,这样就会使得前半部分身体和后半部分身体沿着不同的轴线转动。

2、收缩前腿以减小身体前半部分的惯性矩,伸展后腿以增加身体后半部分的惯性矩,以便他们可以进一步向前旋转(旋转 90°) ,而后半部分身体向相反方向的旋转则小一点(低至 10°)。

3、展开前腿并收缩后腿,以便他们可以进一步旋转后半部分身体,而前半部分身体向相反方向的旋转角度要小一点。

这个过程能够合理地解决物理学上的角动量守恒定律。因为 1894 年的解释中物理模型的坐标系搭建工作搞错了,选错了轴线。他们选择了水平和垂直于整个猫身的轴线来进行物理学解释,认为这个过程违背了角动量守恒定律。却没有预料到猫是一种非常柔软,骨骼结构特殊的生物体。可以通过弓腰来完成翻正反射,新构建的物理模型如动图中显示的那样,猫通过弓腰这个举动形成了三个恰巧可以构成一个完整矢量三角形的角动量。这遵循了角动量守恒定律,可以使得猫在不太费力的情况下通过弓腰和前后腿的伸缩来完成翻正反射。在物理学和生物学上来看是解释的通的。

用图片展示这个过程是这个样子的:

来源:附注 4

美国空军在失重条件下做的实验表明,在失重条件下猫不能做出翻正反射。这种情况下猫掉落就不会四脚着地了。

最后:请不要随意拿你的猫尝试,如果你一定要尝试,翻正反射开始出现在 3-4 周龄,并在 6-7 周龄完善。用到的猫一定要超过这个年龄。并且需要维持高度在 30cm 以上,但是最好也不要超过 1 米,如果能铺一层厚垫子那就更好了。

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