ネットユーザーが自らテスト：猫は常に四つん這いで着地できるのか？家に帰って試してみましょう！

以前、インターネット上で非常に人気のあるテストビデオがあり、多くの人がそれを見たと思います。

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猫をひっくり返してベッドやソファーの上で水平に抱き、突然手を離して自由に落下させます。基本的に高さが低すぎない限り、ほとんどの猫は四つん這いになって安定して着地できるので、すごいです。

これも人々を非常に興味をそそります。猫はどうやってそれを行うのでしょうか?

実際、科学者たちは100年以上も前からこの疑問の答えを探求してきました。

物理法則に反する猫？

猫に関する神話や伝説としては、「猫は九つの命を持つ」という言い伝えが古くから人々の間で伝わっています。この言い伝えは、猫のジャンプ力が強く、高いところから飛び降りても怪我をしないという能力に由来しているのかもしれません。

猫は屋根から飛び降りるのが大好きです。画像ソース: pixabay

19 世紀に、科学者たちは猫のさらに驚くべき能力を発見しました。それは、人間が猫を捕まえて背中を下にして自由に落とさせると、猫は必ず足から着地するというものでした。

これにより人々は非常に混乱します。猫は明らかに逆さまに落ちているのに、着地したときに体がひっくり返るのはなぜでしょうか?しかし、このプロセス全体が非常に速く起こるため、人間の目では猫の空中での行動を観察するのは困難です。

はい、この課題は 100 年以上前から存在していました。画像ソース: gloubik

しかし、当時の一般的な推測は、角運動量保存の法則によれば、自ら回転しない物体は外部からの影響なしに突然回転することはできないため、猫は落下中に人の手から体をひっくり返すのに必要な運動エネルギーを得たのではないかというものでした。

1894 年、フランスの科学者エティエンヌ・ジュール・マレは、クロノグラフガンを使用して多くの動物の写真を撮影しました。このクロノグラフガンは 1 秒間に 12 フレームを撮影できるため、1 秒間にさまざまな段階の動きをする動物を観察できます。

マレーは飛んでいるペリカンを撮影した。写真提供: エティエンヌ・ジュール・マレー

もちろん、猫が逆さまに落ちる様子も撮影しました。映像では、これまでの推測とは異なり、猫は人間からの外力の影響を受けず、真下に落下し、その後、体を軸にして空中で回転し始め、体が正しい方向に戻り、最終的に四つん這いで着地したことが示されました。

猫の落下モーション。画像クレジット: エティエンヌ・ジュール・マレ

明らかに、猫の空中での動きは物理法則に違反しているようです。どうしてこんなことが可能なのでしょうか?

マクスウェルと猫

この現象はすぐに、有名な物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルを含む多くの科学者の注目を集めました。彼は、猫をさまざまな高さから落としてその動きを観察する実験をいくつか計画しました。

猫の体って、かなり変わったものだと分かりました。数学モデルの観点から見ると、動物の体は円筒形とみなすことができ、全体として回転することができます。しかし、猫が倒れたときの体の状態をよく観察すると、猫の上半身と下半身も回転しており、しかも方向が異なっていることがわかります。このとき、角運動量保存則は保たれ、その変化はゼロになります。

猫の空中回転モデルの模式図

この観察に基づいて、マクスウェルは「フィギュアスケーター」の説明を提唱しました。フィギュアスケーターが体を回転させながら腕を締めて角速度を上げるのと同じように、猫は落下するときに体の筋肉をひねることで内部トルクを生み出すことができるというものです。この時点で、猫の前足は収縮し、上半身は急速に回転します。

猫の上半身が正しい位置（頭が地面を向く）に回転すると、猫の下半身も回転し始めますが、回転方向は上半身とは逆で、後ろ足を伸ばして反対方向を向き、最大の慣性モーメントを生み出します。

すると、猫の後ろ足も前足に追いつき、四肢すべてが下を向くようになり、猫は着地成功しました！

画像出典: Dreamstime.com

猫は特殊で柔軟な背骨のおかげで、この特別な「空中回転」運動を実行できることは特筆に値します。つまり、この能力は猫にとって生まれつきのものです。

科学者はこの行動を猫の立ち直り反射と呼んでいます。人間の膝反射と同じように、猫の体も異常な状態であれば反射的に正常な状態（手足が下を向いた状態）に戻ります。

猫が着地するのに最適な姿勢は何ですか?

一般的に、重い物体が高い場所から落下すると、受ける衝撃力は大きくなります。これは物理法則によって決まります。しかし、猫にとっては、この「鉄則」は挑戦されているようだ。

1980年代、ニューヨーク市の2人の獣医が、1984年6月から11月の間に建物から落ちた猫132匹の事例についての情報を収集する調査を行った。猫の生存率は90パーセントだった。

しかし、獣医が猫の具体的な傷を調べたところ、奇妙な現象が発見されました。猫の負傷の重症度は高さが増すにつれて増しましたが、7階以上では実際に軽減しました。

言い換えれば、11 階から落ちた猫は、6 階から落ちた猫よりも怪我が少ない可能性があります。

そして私たちは皆、物体が落下する階が高いほど、地球の重力によって加速される時間が長くなり、最終的に地面に衝突するまでその速度がどんどん速くなることを知っています。突然の衝撃により、動物の落下時の運動エネルギーが他の形態のエネルギーに変換され、骨折、胸部の圧迫、さらには即死につながる可能性があります。したがって、高層階から転落した場合、低層階から転落した場合よりも重傷を負うことになります。

この子猫は26階建てのビルから落ちて前足の1本を骨折しました。出典: SPCA

この時点で、猫にとって物理法則は崩壊したようだ。

しかし、もう一つの可能性は、人々が猫の自由落下について考えるときに空気抵抗を無視していることです。実際、猫は空中を落下するときに抵抗を感じ、落下速度が遅くなります。

したがって、猫は落下するときに、重力と空気抵抗（摩擦）という 2 つの反対の力の影響を受けます。重力は猫の質量と重力加速度の積なので簡単に計算できますが、空気抵抗は断面積、抗力係数、空気密度、落下速度など、複数の要因によって異なります。

猫が最初に落下し始めるとき、その初速度は 0 です。このとき、猫には重力による加速度のみが作用します。速度が増すにつれて、猫は重力と反対の空気抵抗を感じるようになります。

同時に、猫の立ち直り反射が活性化し、本能的に手足を下に向けて四つん這いの姿勢をとります。しかし、この姿勢では猫の体重が不均等に分散されるため、手足に大きな衝撃が加わり、重傷を負うことになります。これは、猫が7階以下でも物理法則に従うことができる理由も説明しています。

しかし獣医師らは、高層階では猫は落下時に抵抗を感じ、無重力感が軽減されるため、体をリラックスさせて足をまっすぐに伸ばさず、体重がより均等に分散され、生存の可能性が高くなると考えている。

もちろん、猫が実際に落下する過程を経験するのはもっと複雑な場合もあるので、猫の安全のためには危険な状況に置かないのが最善です。

参考文献:

劉延珠。自由落下する猫の回転運動[J]。中国機械工学ジャーナル、1982(04):80-85.DOI:10.6052/0459-1879-1982-4-1982-046.

猫はどうやっていつも足で着地するのでしょうか?

http://helix.gatech.edu/Classes/ME3760/1998Q3/Projects/Nguyen/