tumbling
都说“猫有九条命”，但是当猫的年龄大、生病或者遭遇意外时，也会“一命呜呼”。所谓的“九条命”虽然只是传说，但是从侧面反映出了猫的生命力极其顽强。
我们时常会看到猫能爬上高高的树木，或是在窄的高墙上飞檐走壁，难免会想难道猫不会恐高么？一旦摔下来还能活么？而事实竟然是，猫从高空跌落竟然能完美的脚部着地，这也让猫更不容易摔伤（当然高度也是有极限的），而这种现象在科学上，则可以用物理学的角动量守恒定律来解释！
猫（图片来源：pixabay.com）
猫跌落可以脚着地的原因？
猫从高空下落，总是脚部先着地这一有趣的现象，早在几十年前就引起了关注。
在 20 世纪 90 年代，由法国科学家马雷发明的快速摄影器材记录了猫在高处跌落的过程。如下图所示，猫跌落后，在空中可进行自由转体运动，它的前腿趋于缩短并贴近于脖子，后腿则伸展垂直于身体，最终能够将身体翻转 180°，脚部成功着地。
猫从高处落地的过程（图片来源：参考文献[1]）
其实，猫落地能够脚部落地的运动是可以用物理学中的角动量守恒定律解释的。
角动量是旋转运动的一种度量。在直线运动中，我们用动量来描述物体的运动状态；在旋转运动中，则用角动量来描述。角动量可以看作是物体在旋转时的“旋转动量”。其大小与旋转的半径及速度呈正相关。
角动量守恒即为在一个系统中，当一个物体不受到外力作用进行旋转运动时，角动量总量始终保持不变，举一个生活中常见的例子，冰上花样滑冰选手在旋转跳跃时，如果将双臂收拢，旋转的速度就会变快，张开手臂，旋转速度就会变慢一些。但是由于角动量守恒，所以总角动量保持不变。
我们再来看看猫落地的过程，也可以认为是角动量守恒它的旋转方向和速度会保持不变，即猫一旦落体发生旋转运动的行为时，它会一直保持旋转的状态，且旋转的方向保持不变，直到有外力作用。
由于猫下落旋转时，前后腿的姿态是不一致的，因此猫下落旋转的过程可以被拆解前半身和后半身两部分分析。科学家将猫落地的旋转行为称为前后半身旋转方向相反的拧麻花旋转运动。
当猫从高处落下时，基于身体特点，猫的前肢会收缩，旋转半径减小了，由于角动量守恒，前半身的旋转速度就会变大，更容易发生旋转的行为。猫的后肢会伸展，即旋转半径增大，因此旋转速度相对较低，旋转行为发生的较为迟缓。
最终，假设猫的前半身会顺时针旋转，那么后半身则会逆时针旋转。两部分产生的角动量总和会始终保持不变，以维持整体的角动量守恒。猫接着通过腰部和脊椎不同的扭转，可以改变前后身体部分的转动惯量。例如，当猫弯曲前身时，其转动惯量减小，因此旋转速度增加；后身的转动惯量则增大，旋转速度减小。
当猫的前半身旋转到合适的位置后，它会迅速恢复原状，从而停止旋转。而后半身也会进行相同的操作。由于前后身体的协同作用，猫的整个身体会调整到适当的方向。
当然，最后还要加上猫腿部弹跳能力。猫的腿部关节灵活，当靠近地面时，猫可以使用腿部弹跳来减缓落地冲击。
此外，猫跌落会脚部落地和其自身的身体构造及快速的反应能力也有关。喜欢撸猫的人越来越多，而猫咪备受喜爱的原因之一就是它们具有非常柔软的身体，撸起来舒服解压。猫的脊柱上的脊骨数量要比人多五块，因此保证了它在高空旋转时能够更加灵活的扭动身体来调整下降的姿势。
同时，猫的反应非常快，因为猫的反射神经十分发达，在下落的初期，猫就能感知并判断自身的方位，利用其发达的神经反射实现在空中翻转时的复位反射，即身体处于非正常状态时用来恢复正常体位的反射行为。以上均保证了猫落地时的姿势及落地的安全性。
猫落地（图片来源：pixabay.com）
上面这一大堆看不太明白也不要紧，毕竟我们铲屎的只要知道猫主子非常厉害、特别厉害、超级厉害就行啦……
猫咪还有些技能则很容易听懂，咱也可以了解一二。
猫还有哪些特殊的技能？
超强的听力
猫咪被人熟知的一项技能便是捉老鼠。这项技能离不开其超强的听力。猫耳朵内的肌肉数量是人的五倍之多且结构组成复杂。猫能听到的声波范围是人的三倍，能听到人类不能听到的超声波和次声波。同时，它们的收音能力十分强大，即使远处传来的声音也能被它们准确定位。因此，虽然老鼠在很远的位置，也能被猫精准的捕获到。
猫捉老鼠（图片来源：pixabay.com）
超强的夜视功能
在黑天，我们会发现猫的眼睛又大又亮。由于猫眼睛内部的构造，它们具有超强的夜视功能。眼球内部影响视觉的为光感受体。光感受体主要由视锥细胞与视杆细胞组成。其中，视锥细胞决定了光亮条件下的视觉。视杆细胞决定了黑暗条件下的视觉。猫的视杆细胞与视锥细胞的比例是人类的六倍多，因此猫的夜视功能更加强大。
猫眼睛（图片来源：pixabay.com）
没想到吧，猫居然有这么多的独门绝技！顺便说一句，健康的普通成年家猫，短跑时速都可以达到 40km/h 以上，都能和飞人博尔特赛个跑了！
编者的话：
虽然猫咪身手高强，但是千万不要为了做实验就把猫从高处往下扔，它们还是有可能受伤甚至死亡的。另外你还可以找个软和的地方比如沙发、床垫，让猫肚子朝上抱着，放低点一撒手，猫照样会跌个四仰八叉，这是因为高度太低猫反应不过来啦。
参考文献
[1] hotographs of a Tumbling Cat. Nature 51, 80–81 (1894). https://doi.org/10.1038/051080a0.
[2] How does a cat fall on its feet? The New Scientist, vol. 7, no. 189 (1960), pp. 1647-9.
[3] 王亚男.猫真能打破角动量守恒么?[J].航空知识, 2022(9):1.
[4] 唐永连.视锥细胞、视杆细胞与视觉环境[J].中国眼镜科技杂志, 2003, 000(006):55-56.
策划制作
作者丨Denovo 科普作者审核丨黄乘明 中国科学院动物研究所研究员
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