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问题

猫从高处落下，为什么总能四脚着地？

回答
你这个问题问得很有意思，也确实是很多人都好奇的一件事。猫从高处落下，看起来就像是自带降落伞一样，总能稳稳当当地四脚着地，这可不是什么魔法，而是它们身体里一套非常精密的“应激反应系统”和“身体控制机制”在起作用。

咱们就来掰扯掰扯，这背后的原理到底是什么。

首先，得说说猫最牛的那个绝技——翻正反应（Righting Reflex）。这词儿听起来有点专业，但说白了就是猫在空中能把自己“掰”回来的能力。这玩意儿可不是靠什么意念，而是从它们还在娘胎里的时候就已经开始发育的本能。

具体怎么个“掰”法呢？这事儿得从它们的内耳说起。猫的内耳里有个玩意儿叫前庭器，这东西就像咱们身体里的“指南针”和“水平仪”一样，特别敏感，能感受到重力、方向和身体的任何微小变化。一旦猫在空中失去平衡，或者头朝下，内耳就能立刻捕捉到这个信息，然后以极快的速度把信号传递给大脑。

大脑收到信号后，就会立即指挥身体做出反应。这个反应非常巧妙，而且是分步骤进行的。

第一步：头的调整。 首先，猫会快速地把头先转过来，让眼睛正对着地面。为什么是先转头？因为猫的眼睛是它们在空中定位地面的重要工具。一旦头转过来了，它就能清楚地知道“我在哪儿，地面在哪儿”。

第二步：身体的扭转——“分段式”发力。 这就更有意思了。猫可不是像一块木板一样整个身体一起转。它们身体的柔韧性极高，脊椎骨之间的连接非常灵活。猫会利用这一点，先转动身体的前半部分，因为它们的肩胛骨是松散的，可以独立于前肢活动。想象一下，猫就像一个身体被分成两段的橡皮人，上半身先根据头部的方向调整，身体的后半部分则会稍稍滞后。

第三步：后腿的配合。 当身体前半部分基本就位后，后半部分才会跟着前半身的节奏进行扭转。这样一来，猫的身体就能在空中“拧”成一个合适的角度，让脊椎保持在一个相对直立的状态，为最终的落地做好准备。

第四步：伸展四肢，准备着陆。 一旦身体的方向调整得差不多了，猫就会把四肢都伸展开来，形成一个“盘子”的形状。前爪会稍微靠前，后腿则会向后伸展，这样做有两个好处：
增加着陆时的缓冲。 伸展的四肢就像避震器，能够吸收大部分落地时的冲击力，减轻对身体的伤害。
分散落地时的受力点。 四只脚同时着地，能够把力量均匀地分散到身体各处，避免某个部位承受过大的压力。

还有一点很重要，就是猫的体重分布。猫的身体结构非常轻盈，而且它们的重量大部分集中在身体的前半部分，这让它们在翻转时更容易控制。

当然，你可能也见过一些情况，比如猫从很低的地方跳下来，有时候也可能直接摔倒。这是因为翻正反应需要一定的时间和空间来完成。如果高度太低，猫还没有来得及完成翻转，就已经落地了，自然就谈不上四脚着地了。所以，并不是所有高度的坠落，猫都能完美落地。

另外，猫的骨骼密度相对较低，而且骨骼比较有弹性，这也是它们能够在落地时吸收冲击力的一个重要原因。它们不像我们的骨头那么“脆”，而是更像带有一点弹簧的结构。

总而言之，猫能四脚着地，是它们与生俱来的“翻正反应”能力、极其灵敏的内耳前庭器、高度灵活的脊椎、精确的身体控制以及轻盈的体型共同作用的结果。这是一种经过亿万年演化而来的生存本能，让它们在面对从高处坠落的危险时，能够最大程度地保护自己。下次你看到猫咪从高处轻松落地时，不妨想想它们身体里这套精妙的“物理引擎”是如何工作的，是不是觉得它们简直是自然界里的小奇迹？

网友意见

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猫从高处落下四脚着地是需要一定条件的。

最低高度为5公分。低于这个高度就不能四脚着地了。但是科学研究发现，至少要在30cm以上的高度时猫才能安全地四脚着地。而高度太高时猫不太会以四脚着地，而且会受伤。在1987年的研究[1]当中发现，猫从七层楼的高度往下掉落的时候就不会四脚着地，而是选择放松身体增大空气阻力，会采用全身着地的姿势。

这个叫做cat righting reflex，翻译成中文有五种版本，扶正反射、翻正反射、翻身反射、正位反射和复位反射。本文选择采用第二种。如果你在其他地方看到另外几个，其实我们讲的是同一件事情。

在2004年发表的对猫从高处掉落的案例研究[2]给出了一些数据，让我们可以看出猫落下时的情况。科学家在1998-2001年四年中对119只猫的高层掉落案例进行了统计，这些猫有59.6％的数量年龄不到一岁，平均跌落高度为四层楼高，大多数在高温季节跌落。96.5%的猫存活了下来。但是它们基本上都受伤了。46.2％的猫四肢骨折，前臂骨折占38.5％，后肢骨折占61.5％。胫骨骨折最常见（36.4％），其次是股骨（23.6％）。78.6％的猫股骨远端骨折。股骨骨折患者的平均年龄为9.1个月，胫骨骨折患者的平均年龄为29.2个月。33.6％的猫被诊断出胸外伤。诊断为气胸的猫为20％，肺挫伤的比例为13.4％。研究发现从七层楼及以上的高度跌落，受伤会更严重并且胸外伤发生率更高。

由于对动物保护的呼声十分高涨，对猫从高处掉落的研究在最近的几十年内都很少有科学家涉足，所以我们并没有更准确的科学数据。

ps：虽然有传说猫可以从46层高掉落并幸存，但这是一个不太科学的案例，因为这只猫在掉落的过程中是先掉到一个树冠之上最后才掉落在地。

猫掉落的时候四脚着地是科学家一直很感兴趣的课题。这牵涉到物理学和生物学，两个学科的科学家都对这种现象进行了大量研究。

由于其中牵涉到一个非常难理解的物理学概念——角动量守恒定律。所以这一方面的中文科普也很少见，我会尽量选择用平朴的语言来解释这件事情。

猫的righting reflex[3]（翻正反射）是指猫从高处掉落时的定向本身，然后四脚着地，这属于与生俱来的能力。该反射开始出现在3-4周龄，并在6-7周完善。猫之所以能够做到这一点，是因为它们具有异常灵活的骨架，并且没有功能性锁骨。没有尾巴的猫和短尾猫也具有这种能力，因为猫主要通过伸缩后腿来保持角动量守恒，尾巴实际上很少用于完成该反射。

我们来看一下猫翻正反射的研究历史，顺便把我在物理学话题下解释猫翻正反射的回答补充一些生物学知识。如果你之前看过，应该是看过我的那个回答。

首先登场的是麦克斯韦。嗯，就是那个提出麦克斯韦方程的那个麦克斯韦。

麦克斯韦在三一学院的时候发现了猫从高处跌落总能保持脚掌先着地，于是这位物理学家开始了实验，经过多次实验，麦克斯韦发现了猫从大概低于5公分的高度落下时不会脚掌先着地（后来科学家的进一步研究发现，这个高度要到30公分才能保证猫的安全）。不过他还是非常高兴地写信给他夫人炫耀了这个发现。

随着照相技术的发展，有一位叫做艾蒂安-朱尔·马雷（Étienne-Jules Marey）的法国科学家也对这个现象产生了兴趣。1882年，马雷发明了一种摄影枪，一秒能拍12张连续的照片，而且所有的图像记录在同一张照片上。于是我们有了这张著名的照片[4]

然后马雷提出了第一种解释，由于这篇文献[5]年代非常久远，我没有找到完整的正本，就引述一下英文维基的描述[6]吧。

猫利用其自身的惯量来调整其姿势。脊椎骨肌肉收缩产生的力首先作用在前脚上，此时前脚被压短，且很靠近颈部，其转动惯量很小，后脚伸出，几乎和身体轴线垂直，产生了另一个转动惯量，其旋转的方向是和前者相反的。在运动的第二阶段，前后脚的姿态相反，前脚的惯性提供了后脚转动的支点。

我们可以看到这种解释跟上图所展示出来的姿势很一致。但是还是很多物理学家依然认为猫完成脚掌先着地的原因是因为释放猫的人提前发力，让猫以释放者的手做为杠杆支点完成了这种动作。不过马雷的其中一项看法获得了大家的认可，那就是空气阻力无助于猫的翻正反射。

那么其他物理学家为什么会提出质疑呢，因为这牵涉到一个叫做角动量守恒的物理学观念。

角动量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一，实质上对应着空间旋转不变性。物理学解释为反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律；反映不受外力作用或所受诸外力对某定点（或定轴）的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点（或轴）运动的普遍规律。

角动量简单描述就是质点沿着某个轴按照一定的半径做方向性旋转的时候，会产生矢量性质的角动量。判断方式为用右手握拳，食指朝着运动方向，大拇指的方向就是角动量的方向。也就是动图中展示的那个样子。

角动量公式表述是这个样子的

角动量守恒在生活中的应用表现就是人走路的时候要甩与所迈出大腿不同体侧的那只胳膊，因为迈腿产生的角动量需要甩一个相反方向的角动量来抵消，所以顺拐走路的时候会不舒服。因此当时的物理学家认为猫前腿往下翻的时候后腿应该往上翻。于是又产生了一种流传至今的错误解释，那就是猫尾巴在猫掉落的时候产生的角动量抵消了前半身产生的角动量，所以猫四脚着地了，通俗解释就是尾巴在这个过程中有非常大的作用。如果你仔细看马雷的照片，还真的有点像那么回事。

虽然猫的尾巴被证明在猫运动时的确有帮助平衡的作用，但是后来的实验证明无尾猫也可以完成这个动作，但是我们也依然不能完全排除尾巴的作用，只能说在翻正反射中帮助不大或者几乎没用。

在1969年，来自斯坦福的应用力学物理学家Kane＆Scher发表了一篇研究报告[7]。他们将猫分为前半部分后半部分，并以圆柱为模型进行探讨。

现在这个物理模型为大多数物理学家和生物学家所接受。

动图展示是这个样子的

在猫从高处落下时，猫内耳里的前庭构造会感知到自己的方向。

于是猫决定分三步走。

1、弯曲身体，弓腰，这样就会使得前半部分身体和后半部分身体沿着不同的轴线转动。

2、收缩前腿以减小身体前半部分的惯性矩，伸展后腿以增加身体后半部分的惯性矩，以便他们可以进一步向前旋转（旋转90°） ，而后半部分身体向相反方向的旋转则小一点（低至10°）。

3、展开前腿并收缩后腿，以便他们可以进一步旋转后半部分身体，而前半部分身体向相反方向的旋转角度要小一点。

这个过程能够合理地解决物理学上的角动量守恒定律。因为1894年的解释中物理模型的坐标系搭建工作搞错了，选错了轴线。他们选择了水平和垂直于整个猫身的轴线来进行物理学解释，认为这个过程违背了角动量守恒定律。却没有预料到猫是一种非常柔软，骨骼结构特殊的生物体。可以通过弓腰来完成翻正反射，新构建的物理模型如动图中显示的那样，猫通过弓腰这个举动形成了三个恰巧可以构成一个完整矢量三角形的角动量。这遵循了角动量守恒定律，可以使得猫在不太费力的情况下通过弓腰和前后腿的伸缩来完成翻正反射。在物理学和生物学上来看是解释的通的。

用图片展示这个过程是这个样子的

美国空军在失重条件下做的实验表明，在失重条件下猫不能做出翻正反射。这种情况下猫掉落就不会四脚着地了。



最后：请不要随意拿你的猫尝试，如果你一定要尝试，翻正反射开始出现在3-4周龄，并在6-7周龄完善。用到的猫一定要超过这个年龄。并且需要维持高度在30cm以上，但是最好也不要超过1米，如果能铺一层厚垫子那就更好了。

参考

  1. ^Sechzer, J. A., Folstein, S. E., Geiger, E. H., Mervis, R. F., & Meehan, S. M. (1984). Development and maturation of postural reflexes in normal kittens. Experimental Neurology, 86(3), 493–505.  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0014488684900840
  2. ^Vnuk, D., Pirkić, B., Matičić, D., Radišić, B., Stejskal, M., Babić, T., … Lemo, N. (2004). Feline high-rise syndrome: 119 cases (1998–2001). Journal of Feline Medicine and Surgery, 6(5), 305–312. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1016/j.jfms.2003.07.001
  3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Cat_righting_reflex
  4. ^ http://messybeast.com/cat-turning.htm
  5. ^Photographs of a Tumbling Cat. (1894). Nature, 51(1308), 80–81. https://www.nature.com/articles/051080a0
  6. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Falling_cat_problem
  7. ^T. R. Kane & M. P. Scher, Department of Applied Mechanics. Stanford University, California, “A Dynamical Explanation Of The Falling Cat Phenomenon,” Int. J. Solids Structures. 1969. Vol. 5. pp. 663 to 670 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0020768369900869

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