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为什么猫从高处落下总能脚着地?

  来源:DeepTech深科技

  科学家们也逃不开猫的魅力,从薛定谔的猫,到物理学家 Jack Hetherington 与名为 Chester 的暹罗猫相符著论文,再到物理学家 Greg Gbur 近来出版的 Falling Felines and Fundamental Physics,《跌落的猫科动物和基础物理学》。猫为物理学、数学、神经科学,甚至是太空追求中的难题挑供了主要的切入口。

  Greg Gbur 的这本书探究了一个兴趣的话题:猫从高处落下时,为什么总是能够四脚着地?这是一个“落猫题目”(Falling cat problem)。

图 | Falling cat problem(来源:Fine Art American)图 | Falling cat problem(来源:Fine Art American)

  稍微懂物理的人都会想到,猫在空中转身并异国任何支点,那么它是怎么实现转身而又不违背角动量守恒的呢?

  到现在为止,有起码四栽分别的倘若能够注释这一形象:“缩进和旋转”(tuck and turn)模型,猫在坠落时紧缩一对爪子以便旋转;“失踪落的花样滑冰行动员”伪说,猫按照需主要缩或膨胀爪子来调整它的角动量;“曲曲和旋转”伪说,猫曲腰然后逆旋以腰围分界的身体两片面;末了一栽是“螺旋桨式的尾巴”,即猫能够行使尾巴实现空中转身。

  养过猫的人肯定不都雅察过,猫在着落时,尾巴和身体是呈逆向转动的,于是会觉得尾巴首到了主要的作用。但后来人们发现,异国尾巴的猫也能够脚先着地。另一方面,要想使躯干在短时间内转过 180 度,尾巴必须在同暂时间内向相逆倾向转动几十圈,才能维持编制的动量矩为零。这个速度基本上和飞机螺旋桨的转速挨近,于是否定了猫尾巴的决定性作用。

  有一些学者认为,猫内耳中有前庭器官,能够首到均衡和相通指南针的作用,这也许也是其中一个主要的因为。但是最根本的原理是什么呢?

  Greg Gbur 在书中说,猫能在空中实现从四脚朝天到四脚朝地的旋转,答该是行使了综上的一切原理。但是最基本和最主要的注释是 “曲曲和旋转” 伪说,即猫先曲腰,然后上半身和下半身去相逆的倾向旋转以抵消这些行动。其他的方面会首到一些幼修整,比如行使尾巴或者爪子行为另外的杠杆。

 图 | Étienne-Jules Marey 用高速摄像机拍摄的猫失踪落的照片(来源:Wikipedia) 图 | Étienne-Jules Marey 用高速摄像机拍摄的猫失踪落的照片(来源:Wikipedia)

  钻研 “落猫题目” 离不开高速摄像机。早在 1894 年,法国科学家 Étienne-Jules Marey 就在 Nature 上发外了一副用高速摄像机拍摄的猫失踪落的照片,照片表现,仅在着落的最初 1/8 秒,猫就完善了翻身的行为。

  他认为猫是行使了自己质量的惯性来翻身。脊椎肌肉活动的扭转力偶先作用于前腿,新闻动态由于前腿缩幼并贴近脖子,于是有一个很幼的惯性行动。但后腿是膨胀的,并几乎垂直于身体的轴线,它的转动惯量和扭转力偶的倾向是相逆的。在行动的第二阶段,脚的姿势是相逆的,第一阶段所产生的惯性为后面的旋转挑供了支点。

  视频 | 美国空军的实验,“太空猫”还能脚先着地吗?(来源:YouTube)

  但那时许众物理学家认为,丢猫的行为肯定对钻研产生了影响,否则这个实验则黑示解放落体有能够获得角动量。

  1969 年,Kane 和 Scher 两位钻研人员构建了 Kane-Scher 模型,他们把猫建模为能够转折相对倾向的一对相连接的圆柱体,别离代外猫的上半身和下半身,这两片面转动时角动量为零。

  “落猫题目”至此是不是完善解决了呢?原形上并异国。

  人们还发现,猫从矮于 30 厘米的高度失踪落就无法四脚着地,从高处落下也不总是能四脚着地,超过肯定高度,猫会睁开四只,像下降伞相通,之后用肚子着地。有猫从 32 楼摔下来,采用肚皮着地的手段,入院两天就恢复了,这又牵扯到一些其他的物理学题目。

图 | Kane-Scher 模型(来源:Wikipedia)图 | Kane-Scher 模型(来源:Wikipedia)

  胖猫和瘦猫,长猫和短猫,分别栽类的猫每一只的扭动、曲曲都不相通,狮子、老虎如许的猫科动物是不是也有同样的技能?吾们掌握了以上的原理吾们就能制造出一栽像猫相通,能够肆意被抛向空中但是总能完善落地的机器人了吗?

  还有许众题目有待追求,于是 “落猫题目” 至今照样是一个活跃的钻研周围。

 图 | “猫之疑心”(来源:DeepTech) 图 | “猫之疑心”(来源:DeepTech)

  温馨挑示:请不要肆意将猫咪从高处扔下,这是极其不负义务的走为。

  尽管对猫而言,它们也不清新秀类在干什么,几十年前被关在一个装有 “炸弹” 的黑屋子里,现在被逆复扔下来望望会不会跌倒或者物化亡。

  能够有一栽疑心,叫“猫之疑心”。

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