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貓之物語:能在空中轉(zhuǎn)身的“體操冠軍”

2017-09-14 12:03
關(guān)鍵詞:花卷空氣阻力脊椎

不管從多高的地方跳下,貓總能四肢著地,這樣的技能不禁讓人感到驚嘆。此外,九條命的傳說也讓貓總是籠罩著一種神秘的色彩。但是,傳說往往離真相不遠(yuǎn)。

人們常說“貓有九條命”,其實(shí)這是指貓往往在意想不到的情況之下,在危險(xiǎn)環(huán)境中存活。比如說一條狗不小心失足從高處摔下,它多半會(huì)摔傷,可是貓從高處跳下卻往往安然無恙。再仔細(xì)點(diǎn)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn),“喵星人”從高處摔下時(shí)總是能靈巧地、迅速地在空中轉(zhuǎn)身后用四肢穩(wěn)穩(wěn)落地,毫發(fā)無傷。

為了弄清其中的原因,英國廣播公司(BBC)第一頻道還曾經(jīng)制作過一部名為《空中的生活》的科教片,用慢鏡頭拍攝了非洲獰貓的生活,揭示了動(dòng)物如何挑戰(zhàn)萬有引力定律,總是能四肢落地之謎。

“我家小貓花卷從8樓摔下未死!晚上回家發(fā)現(xiàn)花卷沒有迎接,它平時(shí)都在露臺(tái)上玩,我擔(dān)心掉下去了,遂到樓底去找。聽到‘喵喵的叫聲,發(fā)現(xiàn)它從樹叢中跑到了草坪上。腿受了輕傷,有些不便。不是所有的貓都有跳下8樓還能生還的經(jīng)歷喔,花卷你很牛!”

主人榮先生發(fā)微博描述了自己的貓咪從8樓摔下生還的故事,他覺得自家的“貓主子”真是堅(jiān)強(qiáng)。

貓從高處摔下不會(huì)摔死是很多人在日常生活中都遇見過的。這是因?yàn)樗鼈兡茉诳罩凶灾鞯亍⒖焖俚剞D(zhuǎn)動(dòng)身體,從而實(shí)現(xiàn)四腳著地,這大大緩沖了從空中掉落下來而產(chǎn)生的重力。而且,貓翻轉(zhuǎn)身體后,通常會(huì)將四肢伸展開,這也能最大限度地形成空氣阻力,從而對(duì)下降的力度、速度進(jìn)行緩沖。因此,即便不慎從高處墜落,貓也通常不會(huì)死。這也是為什么人們認(rèn)為“貓有九條命”的原因。如果換做其他動(dòng)物,往往就因?yàn)闆]有貓的獨(dú)特技能而無法幸免于難了。

1984年,法國科學(xué)家馬雷通過專業(yè)設(shè)備,首次將貓自空中降落的過程拍攝下來,然后通過專業(yè)測(cè)速設(shè)備對(duì)這一過程進(jìn)行了精準(zhǔn)分析。他發(fā)現(xiàn),貓?jiān)诮德溥^程中翻轉(zhuǎn)身體的速度非??欤瑑H需1/8秒。

如此短暫的時(shí)間,貓是如何實(shí)現(xiàn)在空中自由轉(zhuǎn)身的呢?通常來說,當(dāng)我們借助某個(gè)外力或者外在物體的支撐時(shí),很容易能夠做到自由轉(zhuǎn)身。但貓?jiān)诳罩凶杂山德鋾r(shí)是無法借助任何外力的,從物理學(xué)上來說,此時(shí)貓的運(yùn)動(dòng)是沒有外力矩的,貓如果想自己產(chǎn)生一種力量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身,那么只能是相反的力量。也就是說,如果貓的前半身想要以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),那么后半身必須得產(chǎn)生一個(gè)以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力量。如此一來,貓才能從理論上實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身。但理論歸理論,實(shí)際上,貓可從來沒有把自己扭成一團(tuán)過。也就是說,上述假設(shè)無法成立。

20世紀(jì)60年代,一種新的假設(shè)開始出現(xiàn)。當(dāng)時(shí),蘇聯(lián)力學(xué)專家洛強(qiáng)斯基提出了“轉(zhuǎn)尾巴”的假設(shè)。他認(rèn)為,貓并不是借助身體的扭動(dòng)來形成力矩的,而是借助自己的尾巴所產(chǎn)生的反作用力,當(dāng)尾巴在空中急速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種空氣阻力,這種空氣阻力能幫助貓的身體往反方向翻轉(zhuǎn)過去。這樣貓就能在空中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身了。

這個(gè)理論看似比較合理。因?yàn)轱w機(jī)就是借助螺旋槳的高速轉(zhuǎn)動(dòng)而向前飛行的,而且現(xiàn)實(shí)生活中,貓的尾巴確實(shí)又長又靈活,能起到一定作用。

但很快這項(xiàng)假設(shè)也被推翻了。英國生理學(xué)家麥克艦找了幾只天生就沒有尾巴的貓做了一組實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),即便這些貓沒有尾巴,它們也依然能在空中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身?!稗D(zhuǎn)尾巴”假設(shè)也就不攻自破了。

還有一種與“轉(zhuǎn)尾巴”假設(shè)類似的解釋是“彎脊椎”理論。這一理論提出,當(dāng)貓?jiān)诳罩新湎聲r(shí),它們首先會(huì)將整個(gè)身體向中間彎曲,隨后脊椎開始向各個(gè)不同方向彎曲,這種不同方向的力量匯集在一起,最終能使貓的前半身翻轉(zhuǎn)180°。此時(shí),借助前半身翻轉(zhuǎn)的力量,貓的后半身就能自然而然地產(chǎn)生一種與這一力量的方向、大小都全然相反的動(dòng)量矩,借助這一力矩的力量,貓的身體就能被整個(gè)拉轉(zhuǎn)過來,實(shí)現(xiàn)四肢朝地。

為了驗(yàn)證這一“彎脊椎”的假設(shè)是否合理,1969年,美國力學(xué)教授凱恩專門做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他找到一只死去的貓,把它的身體分割成14塊,分別測(cè)出每一塊的質(zhì)量,將這些數(shù)據(jù)都輸入電腦。之后,他使用“彎脊椎”理論的數(shù)學(xué)模型,借助電腦程序進(jìn)行了運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果以電腦仿真技術(shù)模擬出畫面。最終輸出的圖形表明,當(dāng)貓的前半身翻轉(zhuǎn)一周時(shí),其整個(gè)身體能借助這一翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力量反向轉(zhuǎn)動(dòng),并且最終能轉(zhuǎn)動(dòng)180°。這一結(jié)果與馬雷通過高速攝像機(jī)拍下的貓?jiān)谙侣溥^程中真實(shí)轉(zhuǎn)身的畫面完全吻合。正因?yàn)槿绱?,“彎脊椎”開始成為目前公認(rèn)的、能合理解釋貓為何能在空中轉(zhuǎn)體的唯一理論。

當(dāng)然,除了能“彎脊椎”之外,貓之所以能在空中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身,還因?yàn)樨埖捏w型較小,質(zhì)量較輕。而且在下落過程中,貓能將四肢充分伸展,因此表面積增大,可以產(chǎn)生更多阻力。人從空中下落的最高時(shí)速為210千米,而貓只有100千米,從這個(gè)角度來說,即便人學(xué)會(huì)了像貓一樣“彎脊椎”、把四肢充分伸展,也無法保證不被摔死或摔傷。

貓的這一獨(dú)特技能被現(xiàn)代體育技術(shù)充分借鑒和應(yīng)用。在很多體育項(xiàng)目中,一些高難度動(dòng)作是需要在空中實(shí)現(xiàn)的,比如花樣滑冰、體操、蹦床、跳高、跳水等。在花樣滑冰中,運(yùn)動(dòng)員們跳躍起來之后,在空中高速轉(zhuǎn)體的技巧就是借鑒了貓的特殊技能。(據(jù)科普中國、環(huán)球時(shí)報(bào))endprint

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