本文參加百家號 #科學了不起#系列徵文賽。
貓真的摔不死嗎?首先,我們要來劃重點,貓摔得死,不僅貓能夠摔死,任何不會飛行的動物都能摔死,所以千萬不要試圖去進行相關的實驗。
之所以很多人會誤以為貓摔不死,是因為貓與其它不會飛行的動物相比,的確不太容易被摔死。而貓不容易摔死的原因有兩個,第一就是因為貓下落的速度是有限的。
對於人來說,從一樓跳下基本無恙,而從二樓跳下則可能造成一定的損傷,下落的高度越高,則傷情越重,當下落的高度達到一定程度的時候,則沒有生還的可能,而原因就是自由落體過程中的速度增加。當一個人從高處下落的時候,下落速度會隨著時間而增加,但速度的增加也是有一個極值的,因為隨著下落速度的增加,空氣阻力也會隨之增大,當空氣阻力與所受重力達到平衡時,人體便開始勻速下落,這時的速度也被稱為終端速度。
為什麼降落傘能夠挽救從高處下落的人的生命呢?原因就在於此,一般而言,當人從高空下落時所能夠達到的終端速度約為50m/s,而在打開降落傘的情況下,由於空氣阻力增大,很快會與重力實現平衡,而此時的終端速度大約也就6m/s左右。
而貓的身體結構與人不同,貓在下落的過程之中所受的空氣阻力要比人大得多,所以即使不需要降落傘,貓的終端下落速度也能夠保持在25m/s左右,所以並不容易摔傷。下落的終端速度較低只是貓不容易摔死的第一個原因,光有這個原因是不夠的,即使下落速度較慢,但如果沒有安全的落地姿勢,小命同樣難保。還是拿人來說,即使一個人打開降落傘以6m/s的速度落地,但如果他是頭朝下,那一樣也沒有生還的可能。
有趣的是,貓無論以何種姿勢從高空下落,最終都能夠實現以腿著陸。
可不要小看貓咪的這一能力,要做到這一點絕不僅是身體靈活就辦得到的,因為從物理學的角度來講,在空中是沒有辦法轉身的。當一個人處於靜止狀態的時候,他的角動量是為零的,而當他從靜止狀態轉為下落狀態的時候,角動量依然為零,而角動量是守恆的。
因為角動量守恆,所以在沒有外力作用的情況下,處於下落狀態的人是無法轉動身體的,如果你曾經玩過蹦極,那麼就可以回憶一下,如果你打算去玩蹦極,那就可以親身體會一下。其實不僅下落狀態如此,把一個人置於一個絕對光滑、摩擦力為零的平面上,他一樣也無法轉身,因為初始角動量為零,當他將上半身向左轉時,下半身必然向右轉,以保持角動量守恆,當上下半身都回正之後,所面對的還是原來的方向。
值得注意的是,跳水運動員的空中轉體與上述的下落問題並不一樣,跳水運動員在起跳的時候受到了跳板所施加的外力,如果跳水運動員不起跳,直接從跳板的前端走下去,他一樣轉不了。
但貓咪不同,貓咪即使不起跳,你用手抱著貓咪,讓貓背朝下,然後鬆手,貓一樣可以轉體,並最終保持腳落地。再次劃重點,凡事總有意外,不要試圖進行相關實驗。那麼貓咪到底是怎麼做到的呢?它怎麼能夠違反物理學定律呢?顯然,物理學定律是不可能被違反的,所以貓咪的下落轉體中一定存在著什麼秘密,而秘密就在於貓咪很好地掌握了角動量守恆的原理。首先來說一下角動量,角動量等於物體的質量乘以距離的平方再乘以角速度,所以只要增大物體到轉軸的距離就可以使角速度降低,因為角動量是守恆不變的。
當一隻貓背部朝下墜落的時候,它首先會先將上半身向下轉,此時它會將前腿收起來,因為要抵消上半身向下轉所產生的角動量,下半身就必須向相反的方向轉頭,但此時貓咪會將一隻後腿伸直。
請注意,縮起來的前腿和伸出去的後腿導致上半身到轉軸的距離與下半身到轉軸的距離出現了差異,上半身距離短,而下半身距離長,由於上下半身相互抵消的角動量是相同的,所以下半身的角速度就要小於上半身的角速度,於是上半身轉得多,下半身轉得少。當上半身成功轉向之後,貓咪再將下半身也向下轉,此時它的尾巴會向相反的方向轉動,以抵消下半身旋轉所產生的角動量。這就是貓咪總能腳著陸的原因所在。當然,這只是簡單的解釋,為的是讓大家對於貓咪下落轉體問題和角動量守恆有一個大致的了解,實際上落貓問題是一個著名的物理學問題,在整個下落轉動的過程中,涉及了三個不同方向的角動量,要全部解釋清楚是較為複雜的。