一個頑皮的孩子用雙手托起一只貓,使它四腳朝天,然后 突然撒手。孩子本想把貓摔一下取樂,可是出乎他的意料,貓竟能在空中翻身,四腳朝地安全落下。加上腳爪上厚厚的肉墊 與腰腿很強的彈性,安全著地后毫無損傷。1894年,法國科學院的馬雷用高速攝影拍下了貓下落的全 部過程。
照片清楚地證明,僅在下落的最初1/8秒,貓就完成了 翻身的動作。這個結果使許多物理學家驚異不已,貓是用什么辦法使自 己轉身的呢扯貓尾巴教育好嗎?前蘇聯的洛強斯基在他的理論力學教科書中曾提出一種 解釋:貓在下降時將尾巴向一個方向急速旋轉,這樣貓的身體會沿相反的方向翻轉過來。
可是,有人做過計算,由于貓的軀 干與尾巴的質量相差甚大,要想使軀干在1/8秒內轉過180度, 尾巴必須在同一時間內向相反方向轉動幾十圈,才能維持系統 的動量矩為零。這個速度簡直可以和飛機螺旋槳的轉速比美! 所以否定了貓尾巴的功能。I960年,英國生理學家麥克唐納用割去尾巴的貓做試驗, 貓照樣能在空中靈巧地翻身,因此,這種“轉尾巴”理論也是站 不住腳的。
后來,人們用兔子做類似實驗。兔子的尾巴很短,但是兔 子也能很好地翻身。美國學者凱恩對貓的下落的照片作了仔細的研究后,進行 了計算機仿真,為了得到準確的數據,他把一只死貓切成14塊 測得質量分別輸人電腦,數據的計算結果采用圖形輸出。圖形輸出表明,身體靈活的貓,在下落時前半身作一周圓 錐運動,貓的前半身這樣運動時,貓的全身作為整體將向相反 方向轉動。
前半身作圓錐運動一周時,全身正好向相反方向轉 過180度。這種“彎脊柱”理論很像“轉尾巴”理論,不過這里轉 動的不是質量很小的貓尾巴,而是貓的整個前半身。興師動眾研究這一問題的目的是因為在現代體育技術和 航空航天技術中有著十分重要的意義。在體育運動中,人體有 許多動作是在騰空階段完成的。
如跳高、跳遠、體操、蹦床、跳 水等項目中,要求人體在騰空階段完成一系列復雜的動作。跳 水時人體要完成180度的轉體動作,以準確的姿勢入水。貓和 兔子知道最優的動作程序,看來,人類要向它們學習。更重要的是在航天中的應用。人習慣在重力下生活,一旦 失去重力,就會身輕如煙似的飄浮在空中,使人感到手腳無所 適從。
假定我們要求宇航員做一個最簡單的動作:在靜止飄浮 狀態下實現轉身,即繞縱軸的180度轉體。沒有經驗的宇航員 如果采用地上的轉體方法,他將無法完成這個動作。但是如果 研究了貓的翻身,就能設計出好幾個動作方案來實現靜止轉體。 美國航天局設計了一套標準動作來培訓宇航員,他們所依據的 基本理論也是來自于對貓翻身的研究。