猫がとても滑らかに優雅に着地するのは、この物理法則で説明できます。

「猫は九つの命を持つ」と言われていますが、猫も年老いたり、病気になったり、事故に遭ったりすると「死んでしまう」こともあります。いわゆる「九命」は単なる伝説ではあるが、猫が非常に強靭な生命力を持っていることを間接的に反映している。

猫が高い木に登ったり、狭くて高い壁を走り回ったりするのをよく見かけますが、猫は高所恐怖症ではないのだろうかと思わずにはいられません。落ちたら生き残れますか？実は猫は高所から落ちても足で完璧に着地できるので、怪我をする可能性は低いのです（もちろん高さには限度があります） 。この現象は物理学における角運動量保存の法則によって科学的に説明できます!

猫（画像出典：pixabay.com）

猫はなぜ落ちても足で着地できるのでしょうか？

猫は高いところから落ちるとき必ず最初に足から着地するという興味深い現象が、数十年前に注目を集めました。

1990年代、フランスの科学者マレーが発明した高速カメラが、高いところから落ちる猫を記録した。下の図のように、猫は落下後、空中で自由回転することができます。前足は短くなり首に密着する傾向があり、後ろ足は体に対して垂直に伸びています。最後に、体を180°回転させて、足で着地することに成功しました。

猫が高所から落ちる過程（画像出典：参考文献[1]）

実際、猫が足で着地する動きは、物理学における角運動量保存の法則によって説明できます。

角運動量は回転運動の尺度です。直線運動では、運動量を使用して物体の運動状態を表します。回転運動では、角運動量を使用してそれを記述します。角運動量は、物体が回転するときの「回転運動量」と考えることができます。その大きさは、回転半径および回転速度と正の相関関係にあります。

角運動量保存の法則とは、システム内で物体が外力を受けずに回転する場合、角運動量の合計は一定のままであることを意味します。日常生活でよくある例を挙げると、フィギュアスケートの選手が回転したりジャンプしたりするときに、腕を一緒に閉じたままにしておくと回転速度が上がり、腕を広げると回転速度が遅くなります。しかし、角運動量は保存されるため、総角運動量は一定のままです。

猫が地面に落ちる過程を見てみましょう。角運動量保存の法則により、回転方向と速度は変化しないと考えられます。つまり、猫が落ちて回転し始めると、外力が作用するまで回転し続け、回転方向は変化しません。

猫が転倒して回転するときの前足と後ろ足の姿勢は一定しないため、猫が転倒して回転する過程を前半分と後ろ半分に分けて分析することができます。科学者たちは、猫が着地するときに行う回転動作を、体の前半分と後半分が反対方向に回転するねじり動作と呼んでいます。

猫が高いところから落ちると、その体の特性上、前肢が収縮し、回転半径が小さくなります。角運動量保存則により、体の前半部の回転速度が上がり、回転しやすくなります。猫の後ろ足が伸びて回転半径が大きくなるため、回転速度は比較的低く、ゆっくりと回転動作が起こります。

最後に、猫の前半分が時計回りに回転すると仮定すると、後ろ半分は反時計回りに回転します。 2 つの部分によって生成される角運動量の合計は、全体の角運動量の保存を維持するために常に一定のままになります。猫は、腰と背骨を異なる方向にひねることで、体の前部と後部の慣性モーメントを変化させます。例えば、猫が前体を曲げると慣性モーメントが減少するため、回転速度が上がります。後部の慣性モーメントが増加し、回転速度が低下します。

猫の前半分が適切な位置まで回転すると、すぐに元の位置に戻り、回転が止まります。体の後ろ半分にも同じ手術を施します。体の前部と後部の協調動作により、猫の体全体が適切な方向に調整されます。

もちろん、最後に猫の足のジャンプ機能を追加する必要があります。猫は脚の関節が柔軟で、地面に近いときには脚を使って跳ねて着地の衝撃を和らげることができます。

また、猫が地面に落ちて倒れる理由も、体の構造や素早い反応能力に関係しています。猫を撫でることを好む人が増えていますが、猫が人気がある理由の 1 つは、猫の体がとても柔らかく、撫でると心地よくリラックスできるからです。猫の背骨は人間よりも5つ多く椎骨があり、高高度で回転する際に、より柔軟に体をひねって下降姿勢を調整することができます。

同時に、猫は反射神経が非常に発達しているため、非常に素早く反応します。猫は転倒の初期段階では、自分の位置を感知して判断することができ、発達した神経反射を利用して、空中で反転する際のリセット反射、つまり体が異常な状態にあるときに正常な位置に戻すための反射行動を実現します。上記のすべてにより、猫が着地する際の姿勢と安全性が確保されます。

猫が地面に落ちる（画像出典：pixabay.com）

上記のすべてを完全に理解していなくても問題ありません。結局のところ、私たち猫の飼い主は、猫がとても強力であり、特に強力であり、超強力であることを知っておく必要があります...

猫のスキルの中には理解しやすいものもあり、私たちも何かを学ぶことができます。

猫には他にどんな特別な能力があるのでしょうか？

1優れた聴覚

猫はネズミを捕まえる能力があることでよく知られています。このスキルは彼の優れた聴力と切り離せないものです。猫の耳の筋肉の数は人間の5倍あり、その構造は複雑です。猫が聞き取れる音波の範囲は人間の3倍で、人間には聞こえない超音波や超低周波も聞き取ることができます。同時に、音を受信する能力は非常に強く、遠くから来る音も正確に聞き取ることができます。そのため、ネズミが遠くにいても、猫は正確に捕まえることができます。

猫とネズミ（画像出典：pixabay.com）

2スーパーナイトビジョン機能

夜になると、猫の目が大きくて明るいことがわかります。猫は目の中の構造のおかげで夜間視力が優れています。目の中の光受容体は視覚に影響を与えます。光受容体は主に錐体細胞と桿体細胞で構成されています。そのうち、錐体細胞は明るい光の条件下での視覚を決定します。桿体細胞は暗い状況での視覚を担っています。猫は桿体と錐体の比率が人間の6倍以上あるため、夜間視力がはるかに優れています。

猫の目（画像出典：pixabay.com）

猫がこんなにもユニークなスキルを持っているとは思わなかったでしょう！ちなみに、健康な成猫の短距離走の速度は時速40km以上で、ウサイン・ボルトと競えるほどのスピードです。

編集者注:

猫はとても力強いですが、実験目的で高い場所から投げ落とすことは絶対にしないでください。それでも負傷したり、死亡する可能性もあります。また、ソファやマットレスなどの柔らかい場所を見つけて、猫の腹を上にして抱き、少し下げてから放しても、猫は仰向けに倒れてしまいます。これは、高さが低すぎて猫が反応できないためです。

参考文献

[1] タンブリングキャットの写真。ネイチャー51、80-81（1894）。 https://doi.org/10.1038/051080a0。 [2] 猫はどうやって転倒するのでしょうか？ニューサイエンティスト、vol. 7、いいえ。 189（1960）、1647-9頁。 [3] 王延安猫は本当に角運動量保存の法則を破ることができるのでしょうか？ [J]。航空知識、2022(9):1。 [4] 唐永蓮。錐体細胞、桿体細胞および視覚環境 [J]。中国光学科学技術雑誌、2003年、000(006):55-56。

企画・制作

著者: Denovo ポピュラー サイエンス ライター

査読者：中国科学院動物学研究所研究員 黄成明

編集者: ディン・ゾン