在太空（无重力）情况下，且无任何外力，人是否能仅凭借内力进行翻滚/翻身/自转等动作？ 第1页

是时候拿出这段珍贵的宇航员视频了。

从这段1988年播放的模糊视频可以看出，宇航员在微重力作用下完全可以不接触任何其他物体而完成旋转。国际空间站（ISS）里的宇航员有时会用上面这种运动来改变其在空间站上的姿态和方向。（尽管他们大多是先用手或脚撑一下地面以帮助其加速完成这个动作，当然如果是穿着EMU或其它笨重的衣服的话就不要尝试了）

好了，回答完毕。

等等。。不是说没外力矩作用下是要角动量守恒么？怎么能在空中自由转体改变状态呢？这不科学啊！？

角动量守恒：空中转体的猫

我看到另一个相似问题下有一个回答是这样的：

“不能。角动量守恒，你不能在没有外力做功的情况下凭空消耗角动量。”^[1]

上面的视频已经说明了，这个回答是不对的。那角动量还守不守恒了？

这还要从猫说起。都说猫有九条命，当猫主子从高墙或者树上掉落的时候，它有着令人惊讶的灵活能力，通常都会四脚着地（即使是趁主子睡着的情况下背朝下颠倒着把它扔下去）。这种现象引起了很多科学家的兴趣，尤其是动力学和生理学领域，十九世纪末的Nature杂志还专门刊登了多篇相关的研究。

自从艺术家马雷（Étienne-Jules Marey）在1894年将高速摄影用于运动研究并拍了一部叫《下落的猫》的只有2秒钟的mao片电影（吐槽他时间太短的请移步豆ban）后，半个世纪以来科学家们就热衷于不断的把猫从高处扔下，再拍摄大量照片和影片，来分析猫在空间的姿态调整。

当猫的内耳前庭感觉到上下颠倒时，它会先旋转头部，然后是前腿，再然后是后腿，只用1/8秒就能完成转体动作，最终借助柔软的脚垫和灵活的关节减轻触地的冲击力，就像这样：

马雷不仅仅是个拍电影儿的艺术家，他更像是一个生物学家，而且是靠这个研究成为《Nature》一作的生物运动学家。他通过大量的照片排除了一个当时普遍存在的假说：即猫是靠下落瞬间蹬了树枝才获得转体外力的。他研究发现猫开始下落时没有扭矩^[2]：在猫落下的最初瞬间，并没有向一侧或另一侧旋转的倾向，它的转体仅始于之后其自身的扭曲。

之所以会这样，马雷认为是因为猫是变形体并非刚体，所以可以通过“变形”来“违背”角动量守恒定律，不论自身的初始方向如何，在一定高度下都会四脚着地。也就是说，猫主子可以在保持角动量守恒的同时改变其姿态。

但是科学界对于猫主子具体是怎么达到角动量平衡争论了半个世纪。20世纪60年代以前，最权威的解释来自苏联力学专家洛强斯基的“转尾巴”理论，他认为“猫只要急速地转动尾巴，就能使自己的身体沿相反方向翻来。” 他把这个猜想编入了《理论力学》一书，还被我国翻译引进做为大学教材使用。但国宝对这种闭门造车的所谓苏联专家嗤之以鼻（实际上参与实验的是天生无尾的马恩岛猫）：

终于，一位名叫托马斯·凯恩（Thomas Kane）的学者，提出了“弯脊椎”理论，并通过严格的理论分析和公式推导（公式我就不写了，想看的同学请点击参考文献^[3]），证明了猫的翻正反射(righting reflex)是符合角动量守恒的。

简化的说，就是喵主子在下落过程中身体前后两节会本能地旋转从而产生两个角动量，与此同时整体也会旋转也产生了一个角动量。三个角动量的矢量和为零，从而保证角动量守恒^[4]：

托马斯·凯恩并没有止步于猫的研究，因为他生活在月球大航海时代。在1968年的一次实验中，托马斯·凯恩让蹦床运动员穿着仿阿波罗计划的太空服拍摄了一段模拟失重下自行移动的视频（我没找到源视频文件）。运动员通过快速挥舞手臂而产生一个角动量，为了保证角动量守恒，身体必须产生一个旋转以抵消这个角动量，就完成了空中转体动作。^[5]

说回宇航员

后来又有很多科学家继续痴迷于猫落的研究，发了很多篇论文，除了用在运动竞技上以外，还对宇航员在失重环境下生活有着重要的意义。NASA还借鉴猫落理论设计了一套动作奇特的“太空体操”，以便让宇航员在失重环境下能随意行走和转体。

在这套体操成功运用之前，宇航员被认为只能靠喷射气体等物质来改变空中姿态。但托马斯·凯恩的理论表明，仅靠四肢和身体的扭动，不靠外力也能实现空中转体动作。为此，NASA当年付给了凯恩6万美元，以支持其相关研究。

虽然人类的脊椎不像猫那么多和柔软，也没猫前庭系统的灵敏度高，但翻转动作对失重环境的人类来说也并不是特别难做--如果你的呼啦圈玩得好的话。

现在我们知道，不仅是宇航员，小到分子团（ATP合酶）的翻转，大到卫星（哈勃动量轮）的移动，都是运用着同样的道理。

现在，学会正确的翻滚，是进入太空的基本功。下面这个视频中的宇航员向大家演示如何通摆动四肢来旋转自己：

当然，这样做只能原地转圈，并不能前进和后退。如果想要不触碰舱壁和他人的情况下前进，可以像下面视频的人类这样，用大纸板划空气前进，就像脚蹼潜水一样：（直接拖到2分42秒）

如果你觉得宇航员是靠划动空气才能转身的，请先看一下上面的视频，就知道如果想要像划水一样划空气需要多大的手掌面积。

后记

在看完这篇回答后，我想还是要感谢一下猫主子，希望大家对它们好一点，不要用过胖的猫轻易做尝试。

一更

乎友问：

在太空翻跟头会不会晕？

宇航员蒂姆·皮克（Tim Peake）先翻一个跟头向问题表示致敬（虽然他是借助了地面跳着翻的）。

蒂姆一想到要回地球了，就抓紧时间想创造个记录：在太空中最多次空翻的记录。最重要的是，他想要证明：太空翻筋斗并没有使人头晕目眩。性子急的同学请直接拖到1分20秒。

翻了这么多圈突然停下来，看上去也几乎没有什么眩晕不适和呕吐等现象。

在地面上，我们的大脑是通过内耳内淋巴液的流动来感受体位变化的，并借助视野确定位置和运动。我们中的许多人会因为运动产生的内耳刺激超过了耐受性而产生晕车晕船等症状。许多宇航员在初次进入太空时，都会经历类似晕动症的症状。这是因为接近失重的环境让人有一种一直在跌倒的感觉。这是一种只有宇航员才能长时间感ren受shou的一种感觉。

宇航员的大脑是很强大的，它最终会学会忽略内耳的信号，并开始仅依靠视觉来确定他的方向和动作，这不仅使他们能最终克服太空眩晕症，而且更进一步，对极速翻滚急停也产生了“免疫”作用。^[6]

所以，训练有素的宇航员翻跟头是不晕的。

2020.10.11更

有人问借助真气(屁)是否可行？

虽然在武功各派中，内力和真气还是有区别的，但真的要借助放屁的话，我的另一个回答里有计算公式，大约能达到1米每秒的速度(前提是要褪下裤子和胖次)有兴趣关注一下我的其它的回答。

参考

1. ^ https://www.zhihu.com/question/21761653
2. ^ Étienne-Jules Marey, “Des mouvements que certains animaux exécutent pour retomber sur leurs pieds, lorsqu’ils sont précipités d’un lieu élevé“, La Nature, 1119, 10 Novembre 1894
3. ^ https://pentagono.uniandes.edu.co/~jarteaga/geosem/taller7/minicursoJK-Uniandes/robotic%20examples/kane.pdf
4. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Cat_righting_reflex
5. ^ https://space.stackexchange.com/questions/2954/how-do-astronauts-turn-in-space
6. ^ https://www.physics.manchester.ac.uk/about/people/?ea=Eamonn.Kerins&pg=4