〈鉅亨看世界〉為什麼貓咪墜落可以安然落地?

為什麼貓咪墜落可以安然落地? (圖片:AFP)
為什麼貓咪墜落可以安然落地? (圖片:AFP)

在長達 300 年的歷史長河裡,科學家似乎也不能豁免貓的超然魅力,從薛定谔的貓、物理學家 Jack Hetherington 在 1975 年發表關於一隻名為 Chester 的暹羅貓論文、直到現代物理學家 Greg Gbur 最近所出版的《跌落的貓科動物和基礎物理学》(Falling Felines and Fundamental Physics),科學家都一直持續在思考一個問題,就是當一隻貓從高空墜下,為何總是能安然以腳爪著陸,而這也被稱之為落貓問題 (Falling cat problem)。

幾個世紀以來,科學家提出了四種不同的假設來解釋這一現象:

第一種假設:專家們最早期提出的是「抱膝翻轉」模型,認為貓在墜落過程中收回一隻腳爪,以便旋轉身體的不同部分。

第二種假設:19 世紀的物理學家 James Clerk Maxwell 提出了「落體花樣滑冰運動員」的解釋,認為貓可以根據需要拉入或伸出腳掌來調整其角動量。

第三種假設:「彎曲和旋轉」假說,認為貓先彎曲腰部使身體的上下半身相反方向運動。最後是「螺旋槳尾巴」的解釋,認為貓可以像螺旋槳一樣讓尾巴向一個方向旋轉,來實現身體的旋轉。

第四種假設:現代物理學家 Greg Gbur 在最近出版的新書中表明,事實上,貓能夠從高處墜落並安然落地,應該是以上的所有原理都被用上了。不過最基本且最重要的解释是「彎曲和旋轉」的假說,然後貓也會通過尾巴或者爪子等其他方面進行小修正,進而安全的落下。

要研究落貓問題離不開高速攝影,Gbur 就曾表示:「那真的是很短的時間。人眼根本無法解決這個問題。因此,直到該高速攝影出現之前,這個問題基本上無法解決。」

在 1894 年,法國科學家 Étienne-JulesMarey 拍攝了第一張貓墜落的高速照片。照片是以每秒 12 幀的速度拍攝,顯示出過去人們認為貓是依靠摔牠的人手作为支點,進而開始進行翻身落地的想法是錯誤的。

落貓問題首張高速攝影照片 (圖片:arstechnica)
落貓問題首張高速攝影照片 (圖片:arstechnica)

如今我們明白,貓從高處跌落時具有天生的能力來調整自身方向以穩定來站穩。貓主要通過移動後腿,通過角動量守恆來著地,而尾巴實際上只是用於輔助。除此之外,貓本身還具有在跌落時能減少傷害的其他特性,例如體積小、骨骼結構輕、厚皮毛,都有助於減低速度。跌落時,貓會伸展身體,以增加阻力。

不過,貓要安全落地也有其高度限制,大多數的貓要能安全著地需要至少 30 公分的高度。但在某些情況下,貓也可能會受傷。1987 年發表在《美國獸醫協會》上的一項研究就發現,貓受傷的程度隨著高度的升高而增加。


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