之前网上有一个很火的测试视频，想必很多人都刷到过：

图源网络

把猫翻转过来横抱于床或沙发之上，然后突然松手让其自由下落，基本上只要不是高度太低，绝大多数猫都能将身子翻过来，然后四脚稳稳地落地，令人惊叹不已。

这也让人十分好奇：猫是如何做到的？

猫：我也不知道啊，可能是天生的吧 图源网络

关于这个问题的答案，其实早在一百多年前，就已经有科学家在探索了。

违背物理定律的猫？

关于猫的神话或传说，很早之前民间就出现了“猫有九命”的说法，这种说法或许来源于猫极强的跳跃能力以及它们从高处跳下却能毫发无伤的身手。

猫喜欢从屋顶上一跃而下 图源：pixabay

而在19世纪，当时的科学家们还发现了猫咪更为神奇的能力：当人们把猫捉住，然后使其背部朝下自由下落，它们总是能够在落地时用脚着地。

这让人们感到十分困惑，明明是倒立着下落，为何落地时猫的身子却翻转了过来，只不过整个过程发生得非常快，以至于人眼很难观察到猫在空中的行为。

没错，这个挑战一百多年以前就有了 图源：gloubik

不过，当时的一种普遍猜测认为，猫可能是在下落时从人的手上获得翻转身体所需的动能，因为根据角动量守恒，一个不自转的物体不可能在没有外界影响的情况下突然旋转。

时间来到1894年，法国科学家艾蒂安-朱尔-马雷利用计时摄影枪拍摄了许多动物的影像，这种计时枪每秒能够连续拍摄12帧，使得人们可以观察动物们在一秒内的多个运动阶段。

马雷捕捉到一只飞翔中的鹈鹕 图源：艾蒂安-朱尔-马雷

当然，他也拍摄了猫倒立下落的影像，结果图像显示，与之前人们的猜测不同，猫并没有受到人的外力作用，而是直接向下跌落，然后以自身为轴在空中开始旋转，直至身体回到正确的方向，最终以四肢着地。

猫的下落运动 图源：艾蒂安-朱尔-马雷

很显然，猫在空中的运动似乎违反了物理定律，这怎么可能呢？

麦克斯韦与猫

这一现象很快引起了许多科学家的关注，其中包括著名的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他设计了多项实验，将猫从不同高度下落，观察猫的动作。

事实证明，猫的身体很奇特。如果从数学模型的角度来看，动物的身体都可以看作是一个圆柱形，并且能够整体进行旋转。但如果仔细观察猫在下落时的身体状态，你会发现猫的上半身和下半身也在旋转，并且是沿着两个不同的方向转动。而此时，角动量守恒得以保留，其变化为零。

猫猫空中转体模型示意图

根据这一观察，麦克斯韦提出了“花样滑冰运动员”的解释，他认为猫在下落时，可以通过扭转身体肌肉来创造一个内部力矩，就像花样滑冰运动员在旋转身体时收紧双臂来增加角速度，此时，猫的前爪会收缩，同时上半身以自身为轴快速旋转。

花样滑冰运动员上半身保持平衡 图源：Matthew Stockman

一旦猫的上半身旋转到正确的位置（即头部朝向地面），猫的下半身也开始旋转，只不过行为与上半身相反——伸展后肢，并且朝着相反的方向，以此来产生尽可能大的惯性矩。

如此一来，猫的后肢也追上了前爪，现在猫的四肢都朝下，猫顺利着陆！

图源：Dreamstime.com

值得一提的是，猫能够完成这种特殊的“空中转体”动作得益于它们特殊且灵活的脊柱，因此这种能力对于猫来说是与生俱来的。

猫生啊，易如反掌！

科学家将这种行为称为猫的翻正反射，就像人的膝跳反射一样，通常只要猫的身体处于非正常状态下，它们都会反射性地要将身体回到正常状态（四肢朝下）。

猫以何种姿势落地最佳？

一般而言，当一个有质量的物体从越高的地方坠落，所受到的冲击力也越大，这是物理定律所决定的，然而对猫而言，这条“铁律”似乎受到了冲击。

在20世纪80年代，纽约市的两名兽医进行了一项研究，他们收集了1984年6月到11月之间发生的132起猫咪坠楼事件，其中，猫的生还率达到了90%。

坠楼的猫猫 图源：Gloablnews

然而，当兽医们查看猫的具体受伤情况时却发现了一个奇怪的现象，虽然猫的受伤程度会随着高度的升高而增加，但自7层楼往上，猫的受伤程度居然还有所下降。

也就是说：从11层楼坠落的猫或许比从6层楼坠落的猫受伤更轻！

而我们都知道，物体从越高的楼层下落，受到的地球引力加速也越久，它的速度也会越来越快，直至最后落地。突然的撞击会使动物下落的动能转化为其他形式的能量，从而导致骨折、胸部塌陷甚至当场死亡，因此，从越高楼层坠落应该会比更低楼层坠落受伤更重。

这只小猫从26层高楼坠落，摔断了一只前爪 图源SPCA

此刻，物理定律似乎对猫不起作用了。

但另一种可能性是，人们在思考猫的自由落地时忽略了空气阻力，实际上，猫在空气中下落会受到阻力，从而减缓下落速度。

因此，猫在下落时会受到两种相反的作用力，即重力和空气阻力（摩擦力），重力很好计算，猫的质量与重力加速度的乘积，但空气阻力取决于横截面积、阻力系数、空气密度以及下落速度等多重因素。

图源：brickunderground

刚开始下落时，猫的初始速度为0，此时只有重力引起的加速度作用在猫身上，而随着速度越来越快，猫会感受到与重力相反的空气阻力。

与此同时，猫的翻正反射启动，它们会本能地将四肢调整向下，以四肢着地。但这种姿势会让四肢受到巨大的冲击，从而受到严重伤害，因为猫的重量分布不均匀。这也解释了为什么在七楼以下，猫还能遵守物理定律。

但在更高的楼层，兽医认为猫在下落过程中会感受到阻力的存在，减少其失重感，这样它就可以放松身体，不会把腿伸直，重量分布更均匀，从而有更大的生存机会。

图源：NilsJacobi

当然，猫在下落过程中，实际的经历可能会更复杂，所以为了猫猫的安全考虑，最好还是不要让它们处于危险的境地之下。

参考文献：

刘延柱.自由下落猫的转体运动[J].力学学报, 1982(04):80-85.DOI:10.6052/0459-1879-1982-4-1982-046.

How Does a Cat Always Land on its feet？

http://helix.gatech.edu/Classes/ME3760/1998Q3/Projects/Nguyen/

Cat righting reflex

Why Do Cats Land on Their Feet? Physics Explains

https://www.scientificamerican.com/article/why-do-cats-land-on-their-feet-physics-explains/

A simple model for the falling cat problem

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6404/aaac06

作者：鱼鱼

中国科普作家协会优秀科普作品银奖获得者

清蒸鱼头、麻辣鱼头等各种鱼头爱好者

责编：董小娴

来源：蝌蚪五线谱

编辑：尼洛