为什么猫从高处落下总能脚着地？有人为此写了一本物理书
以下文章来源于DeepTech深科技 ，作者张静
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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 的暹罗猫合著论文，再到物理学家 Greg Gbur 最近出版的 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，甚至是太空探索中的难题提供了重要的切入口。
Greg Gbur 的这本书探究了一个有趣的话题：猫从高处落下时，为什么总是可以四脚着地？这是一个“落猫问题”（Falling cat problem）。
图 | Falling cat problem（来源：Fine Art American）
稍微懂物理的人都会想到，猫在空中转身并没有任何支点，那么它是怎么实现转身而又不违背角动量守恒的呢？
到目前为止，有至少四种不同的假设可以解释这一现象：“缩进和旋转”（tuck and turn）模型，猫在坠落时收缩一对爪子以便旋转；“掉落的花样滑冰运动员”假说，猫根据需要收缩或伸展爪子来调整它的角动量；“弯曲和旋转”假说，猫弯腰然后反旋以腰围分界的身体两部分；最后一种是“螺旋桨式的尾巴”，即猫可以利用尾巴实现空中转身。
养过猫的人一定观察过，猫在下落时，尾巴和身体是呈反向转动的，所以会觉得尾巴起到了重要的作用。但后来人们发现，没有尾巴的猫也可以脚先着地。另一方面，要想使躯干在短时间内转过 180 度，尾巴必须在同一时间内向相反方向转动几十圈，才能维持系统的动量矩为零。这个速度基本上和飞机螺旋桨的转速接近，所以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，可以起到平衡和类似指南针的作用，这或许也是其中一个重要的原因。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，应该是利用了综上的所有原理。但是最基本和最重要的解释是 “弯曲和旋转” 假说，即猫先弯腰，然后上半身和下半身往相反的方向旋转以抵消这些运动。其他的方面会起到一些小修正，比如利用尾巴或者爪子作为另外的杠杆。
图 | Étienne-Jules Marey 用高速摄像机拍摄的猫掉落的照片（来源：Wikipedia）
研究 “落猫问题” 离不开高速摄像机。早在 1894 年，法国科学家 Étienne-Jules Marey 就在 Nature 上发表了一副用高速摄像机拍摄的猫掉落的照片，照片显示，仅在下落的最初 1／8 秒，猫就完成了翻身的动作。
他认为猫是利用了自身质量的惯性来翻身。脊椎肌肉活动的扭转力偶先作用于前腿，因为前腿缩短并贴近脖子，所以有一个很小的惯性运动。但后腿是伸展的，并几乎垂直于身体的轴线，它的转动惯量和扭转力偶的方向是相反的。在运动的第二阶段，脚的姿势是相反的，第一阶段所产生的惯性为后面的旋转提供了支点。
视频 | 美国空军的实验，“太空猫”还能脚先着地吗？（来源：YouTube）
但当时很多物理学家认为，丢猫的动作一定对研究产生了影响，否则这个实验则暗示自由落体有可能获得角动量。
1969 年，Kane 和 Scher 两位研究人员构建了 Kane-Scher 模型，他们把猫建模为能够改变相对方向的一对相连接的圆柱体，分别代表猫的上半身和下半身，这两部分转动时角动量为零。
“落猫问题”至此是不是完美解决了呢？事实上并没有。
人们还发现，猫从低于 30 厘米的高度掉落就无法四脚着地，从高处落下也不总是能四脚着地，超过一定高度，猫会张开四只，像降落伞一样，之后用肚子着地。有猫从 32 楼摔下来，采用肚皮着地的方式，住院两天就恢复了，这又牵扯到一些其他的物理学问题。
图 | Kane-Scher 模型（来源：Wikipedia）
肥猫和瘦猫，长猫和短猫，不同种类的猫每一只的扭动、弯曲都不相同，狮子、老虎这样的猫科动物是不是也有同样的技能？我们掌握了以上的原理我们就能制造出一种像猫一样，可以随意被抛向空中但是总能完美落地的机器人了吗？
还有很多问题有待探索，所以 “落猫问题” 至今仍然是一个活跃的研究领域。
图 | “猫之迷惑”（来源：DeepTech）
对猫而言，它们也不知道人类在干什么，几十年前被关在一个装有 “炸弹” 的黑屋子里，现在被反复扔下来看看会不会摔倒或者死亡。
有一种迷惑，叫“猫之迷惑”。
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参考：
https://arstechnica.com/science/2019/12/the-surprisingly-complicated-physics-of-why-cats-always-land-on-their-feet/?comments=1
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