300年前剑桥就盛行摔猫试验为什么猫从高处下跌总能脚着地

在长达300年的历史长河中，科学家们一直在考虑一个关于猫咪的谜题：一只猫从高处下跌，终究总是能以爪子着地的办法安定落地。就像世界体操联合会以运动员的姓名来命名他们首创的体操动作相同，科学家把这种现象称为“猫翻身”（cat-turning）。

在我国民间传说中，有猫有九命的说法。这种说法能够追溯到典籍记载。经文上说：“佛曰：猫有灵性，其命有九，人只得其一。故猫之灵性，殊非人类可及耳”。在物理学界，欧文·薛定谔由于他出名的“薛定谔的猫”的思维试验而出名，该试验是有关存亡叠加态的问题。

如图：1953年3月，埃德温·鲍威尔·哈勃和他的猫尼古拉斯·哥白尼坐在浑天仪后边。

出名天文学家埃德温·哈勃，怀抱着一只黑色的名叫“尼古拉斯·哥白尼”的猫。哈勃的首要成便是建立了哈勃规律，供给了世界胀大实例依据。他曾在一封信中暗示尼古拉·哥白尼协助他获得了关于世界胀大理论的创意。

1975年，一篇有关低温物理学的论文在《物理谈论快报》宣布，一只名叫切斯特的暹罗猫被物理学家杰克·h·赫瑟林顿列为合著者。这位物理学十分有意思，由于忧虑被搭档发现一起作者署名是他的猫的姓名，他还特意在前面加了两个字母缩写。

看了以上和猫有关的科学家故事，现在咱们好像了解连科学家也无法抵御猫的魅力。现在咱们再次回到本文讨论的主体：猫的高处下跌。

事实上从19世纪开端，在某些科学家的圈子里，就现已呈现了这个让人意想不到的重视焦点。其时一些最出名的理论物理学家测验过把猫从不同的高度扔下来，以了解为什么它们总是用脚着地。

几个世纪以来，科学家们提出了四种不同的假设来解说这一现象。其中有一个解说堪称是最早的“抱膝回身”原型，该解说以为猫回收一对爪子，这样它就能够滚动身体的不同部分；十九世纪物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦则给出了一个名为“落体花样滑冰”的解说，猫根据需求经过缩进或伸出爪子来调整角动量；第三种解说是“曲折和改动”，在这种办法中，猫在腰部曲折以反回身体的两个部分。终究还有一种叫“螺旋桨尾”，他们都以为猫能够像螺旋桨相同将尾巴向一个方向旋转，来完成身体的翻转。

根据以上四种解说，有物理学家以为猫下跌时，很或许综合使用了以上一切解说中的某些特性。

19世纪，在剑桥大学三一学院，这种活动十分常见。其中有一位是其时最巨大的理论物理学家，他的姓名叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔。据其时的报导，他由于摔猫试验而出名。

麦克斯韦尔在一封给他妻子的信中写道:“当我在三一学院的时分，发现这里有一个摔猫的传统。我发现了一种摔猫的办法，这样就不会让猫的爪子着地。我曩昔常常测验把猫扔出窗外，我有必要解说这样做的意图。这项研讨的重点是发现猫回身的速度到底有多快。正确的办法是让猫从大约5厘米的当地掉到桌子或床上。这样的话，猫就无法爪子着地。”

猫从高处掉落时，究竟是怎样做到看起来无视牛顿物理规律，改动半空中的运动而让它们四爪着地安定无恙的？他并不是仅有一个对此感爱好的出色科学家。出名数学家乔治·斯托克斯也相同重视“猫翻身”现象。

正如他的女儿在1907年的回忆录中所描绘的那样: 他和克拉克·麦克斯韦教授简直在同一时刻都对猫翻身十分感爱好，猫翻身（cat-turning）这个新发明的词语用来描绘假如你捉住一只猫的四只脚爪，把它从高空下跌回地上，它是怎么做到翻死后四爪着地的。

尽管摔了许多猫，麦克斯韦和斯托克斯在他们的研讨中都没有获得很大发展。直到几十年后，时刻拍照技能面世，该技能答应快速接连拍照许多相片，才得以让科学家进行一项更谨慎的研讨，而且能够逾越人眼的约束。能做到这一点的人是法国科学家和拍照师艾蒂安·朱尔·马雷，他在1894年拍照了一系列图画，并从中做出了一些重要的推论。

上图相片是以每秒12帧的速度拍照，标明曩昔以为猫是依托摔它的人的手作为支点，进而在摔落开端完成翻身动作的主意是过错的。相反，相片显现猫在开端下降时并没有旋转运动，它们只是在自由落体时以某种办法获得了角动量。马雷在1894年出书的《康普特斯·伦德斯》杂志上宣布了这些相片和他的调查结果，同年他的研讨结果摘要宣布在《天然》杂志上。

马雷以为是猫使用自身质量的惯性来翻转自己的身体。发生脊椎肌肉活动的改动力偶首要作用于前腿，由于前爪缩短并压在颈部，因而前腿发生很小的惯性运动。但是后腿被拉伸而且简直垂直于身体的轴线，它所具有的滚动惯量与改动力偶所发生的运动方向相反。在动作的第二阶段，爪子的姿势是相反的，前腿的惯性为后腿的旋转供给了支点。

该研讨的作者马雷乃至以一种适当诙谐的口吻说：在拍照的第一个系列图画的结束，猫被得罪后从头站起来的姿势所表现出的庄严，标明它对科学研讨缺少爱好。

尽管马雷有着看似明晰的拍照依据，许多物理学家依然信任猫把摔猫人的手当作支点。70多年后，凯恩和舍尔在1969年宣布的论文《落猫现象的动力解说》中，总算解开了这个谜。他们将猫建模为一对能够改动其相对方向的圆柱体，别离代表猫的前半部分和后半部分。

蒙哥马利1993年用构型空间中的衔接来描绘凯恩-舍尔模型，该衔接封装了物理学答应的猫的两个部分的相对运动。以这样的结构，猫下落问题的动力学是一个非完整体系的典型比如。在物理和数学中，非完整体系是指其状况取决于完成它所采纳的途径的体系，而该研讨是操控理论的核心问题之一。掉猫问题的一个解决方案是装备空间中的一条曲线，该曲线与规则的初始和终究装备的衔接，或许说物理上答应的衔接，是坚持水平的。掉猫办法寻觅最佳解决方案是最优运动规划的一个典范。

用物理学的言语能够这样解说，蒙哥马利的衔接是构形空间上的杨-米尔斯场，而且是更标准的以形变场为代表的可变形体动力学办法的特例。杨-米尔斯（Yang-Mills）理论，是现代标准场理论的根底，是由物理学家杨振宁和米尔斯在1954年首要提出来的。

现在咱们咱们都知道猫从高处下跌，具有天然生成的才能来调整自己的方向以便站稳。大多数猫安全地着地需求抵达的最小高度约为30厘米。尽管视频中发现许多猫会经过尾巴翻身，但没有尾巴的猫也有这种才能，由于猫首要是移动它的后腿，依托角动量的守恒来预备着地，而尾巴实际上关于它这个与生俱来的高雅翻身的才能用途并不大。

除此之外，猫自身还具有下跌时削减损伤的其它特性，例如体积小,骨骼结构轻,厚厚的皮裘削减了终极速度。下跌时，猫会扩展身体，以添加阻力。那么咱们咱们都知道猫具有如此抗下跌的超才能，是不是它们从高空掉落历来不会受伤呢？答案是：状况并未总是如此。它们仍有或许由于跌伤或许骨折而逝世。1987年宣布在《美国兽医协会杂志》上的一项研讨发现，每只猫的受伤程度跟着高度的升高而添加。

物理学家们在天性地寻觅简略的解决方案，而大天然的生灵们会天然寻觅最有有用的解决办法。那么费尽心思地研讨猫下跌的现实意义在哪里？

现在研讨人员把目光投向了机器人范畴，咱们是否可经过猫的特性制造出一种能轻松完成有用翻转的机器人？在人类无法抵达或许有生命要挟的环境里，派出”猫式翻转“机器人履行救援或排险使命，终究还能够正面朝上完成完美着陆。