1、貓有九條命？,1,2020/9/25,神奇的“貓旋”,貓咪身上的物理,13級(jí)生科三班陳傲蕾,2,我們經(jīng)常看到貓從很高的地方掉下來(lái)，甚至四腳朝天落下，也不會(huì)摔死，還可以四腳先著地，而身體不會(huì)有絲毫損傷，而狗從同樣高度掉下來(lái)的話，非死即傷，這就是人們常說(shuō)的“貓有九條命”的由來(lái)。,貓旋的由來(lái),貓從高處落下后為什么不會(huì)受傷害呢？,3,2020/9/25,這與貓有發(fā)達(dá)的平衡系統(tǒng)和完善的機(jī)體保護(hù)機(jī)制有關(guān)。當(dāng)貓從空中下落時(shí)，不管開(kāi)始時(shí)怎樣，即使背朝下，四腳朝天，在下落過(guò)程中，貓總是能迅速地轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)，當(dāng)接近地面時(shí)，前肢已做好著陸的準(zhǔn)備。貓腳趾上厚實(shí)的脂肪質(zhì)肉墊，能大大減輕地面對(duì)貓?bào)w反沖的震動(dòng)。可有效地防止震動(dòng)

2、對(duì)各臟器的損傷作用。貓的尾巴也是一個(gè)平衡器官，如同飛機(jī)的尾翼一樣，可使身體保持平衡。除此之外，貓肢發(fā)達(dá)，前肢短，后肢長(zhǎng)，利于跳躍。其運(yùn)動(dòng)神經(jīng)發(fā)達(dá)，身體柔軟。,貓從高空落下來(lái)，翻身轉(zhuǎn)體的過(guò)程，科學(xué)家們稱(chēng)為“貓旋”,4,2020/9/25,貓旋的探索,1849 年，法國(guó)科學(xué)家馬雷首次用高速攝影機(jī)將“貓旋”這一過(guò)程拍攝了下來(lái)，并證明了貓?jiān)诳罩修D(zhuǎn)體，僅需18 秒鐘。,Falling Cat,5,2020/9/25,WHY?,6,2020/9/25,法國(guó)的古龍認(rèn)為貓先收縮前肢，伸開(kāi)后肢，并轉(zhuǎn)動(dòng)前半身，然后伸開(kāi)前肢，收縮后肢并轉(zhuǎn)動(dòng)后半身。 符合力學(xué)原理，但不符合實(shí)際。,“四肢開(kāi)合”論,7,2020/9/2

3、5,前蘇聯(lián)的洛強(qiáng)斯基認(rèn)為: 不用四肢的動(dòng)作, 只要將尾巴向一個(gè)方向急速轉(zhuǎn)動(dòng), 貓?bào)w也能繞縱軸向相反方向翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)?？墒? 由于貓的軀干與尾巴的質(zhì)量相差甚大, 為使軀干在1 /8秒內(nèi)轉(zhuǎn)體180 , 尾巴的轉(zhuǎn)速大概要和飛機(jī)螺旋槳媲美, 這顯然不可能。1960 年, 英國(guó)生理學(xué)家麥克唐納用無(wú)尾巴的貓作實(shí)驗(yàn), 貓照樣能在空中靈巧地翻身。,“轉(zhuǎn)尾巴”理論,因此, 這種“ 轉(zhuǎn)尾巴” 論也是站不住腳的。,8,2020/9/25,麥克唐納博士, 在其著名論文貓?jiān)谙碌^(guò)程中是如何用腳著地的?中對(duì)“ 貓旋”作了比較正確的分析( 如圖2 所示) 。 1969 年, 美國(guó)斯坦福大學(xué)的力學(xué)教授凱恩利用剛體系統(tǒng)原理又對(duì)上面

4、這種解釋作了一些改進(jìn)。,“彎脊椎”理論,9,2020/9/25,可見(jiàn), 麥克唐納和凱恩的理論是目前解釋“貓旋” 的最佳理論。,1、脊柱彎曲，但沒(méi)有各部分的相互扭轉(zhuǎn) 2、脊柱由前彎沿某一方向一次側(cè)彎，后彎，側(cè)彎，再前彎恢復(fù)到初始彎曲狀態(tài) 3、脊柱后彎的程度遠(yuǎn)比前彎小 他以雙剛體系統(tǒng)來(lái)模擬貓的前后半身并列出了它們的運(yùn)動(dòng)微分方程, 然后將這組復(fù)雜的方程編成程序輸入電子計(jì)算機(jī)計(jì)算。有趣的是, 計(jì)算結(jié)果與高速攝影記錄的貓旋過(guò)程完全吻合。,10,2020/9/25,剛體 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 剛體對(duì)轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量守恒定律：當(dāng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體所受外力對(duì)轉(zhuǎn)軸的合力矩為零時(shí)，剛體對(duì)同一轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量不隨時(shí)間變化。（不僅適用于定軸

5、轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，也是用于繞同一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)剛體的組合）,角動(dòng)量守恒定律,M=0 dL=d(Jw)=0 L=Jw=恒量,11,2020/9/25,根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，貓?jiān)诳罩邢侣溥^(guò)程中，只受重力，若只研究貓的翻轉(zhuǎn)，完全可以不考慮重力，而貓和空氣的摩擦力很小，可不考慮，當(dāng)貓的前半身向前彎曲時(shí)，貓的后半身必然向后彎曲，當(dāng)貓的前半身旋轉(zhuǎn)了180時(shí)，貓的后半身必然受一個(gè)大小相等，方向相反的角動(dòng)量，利用這兩個(gè)角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)了身體的翻轉(zhuǎn)。,12,2020/9/25,體操 跳水 花樣滑冰 航天,人的模仿,人體有許多動(dòng)作是在騰空階段完成的，由于只受重力作用，人體在騰空階段對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量距守恒。,13,2020/9/25

6、,體操,1、“早旋”：從騰空 一開(kāi)始就有的轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)； 2、“晚旋”：通過(guò)手臂動(dòng)作在空中發(fā)起旋轉(zhuǎn)；,14,2020/9/25,跳水,我國(guó)跳水運(yùn)動(dòng)員高敏、孫淑偉、伏明霞則更是表演“晚旋”的世界超級(jí)明星 .這些動(dòng)作的機(jī)理, 比只繞一根橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)的“貓旋”要復(fù)雜得多。而且, 這種新穎的“晚旋”, 開(kāi)始時(shí)只有繞橫軸旋轉(zhuǎn)的空翻, 只是在接連進(jìn)行的第二個(gè)團(tuán)身空翻中才同時(shí)出現(xiàn)繞縱軸的轉(zhuǎn)體 。從高速攝影記錄中可以看到, 繞縱軸的轉(zhuǎn)體似乎是從無(wú)到有地憑空出現(xiàn)的。人們至今還不能圓滿地解釋這種奇妙現(xiàn)象。,15,2020/9/25,花樣滑冰,普魯申科在冰上旋轉(zhuǎn)，當(dāng)把手臂和腿伸展開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)得較慢，而當(dāng)他把手臂和腿收回靠近身體時(shí)

7、則轉(zhuǎn)得較快，這就是角動(dòng)量守恒定律的表現(xiàn)。冰的摩擦力矩很小可忽略不計(jì)，所以人對(duì)轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量定恒。當(dāng)他的手臂和腿伸開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大故角速度較小，而收回后轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小故角速度變大。,16,2020/9/25,花樣滑冰男子自由滑普魯申科tango,17,2020/9/25,航天,1、安裝在輪船、飛機(jī)或火箭上的導(dǎo)航裝置回轉(zhuǎn)儀，也叫陀螺。 2、太空操,18,2020/9/25,貓旋身體旋轉(zhuǎn)腳朝下 肉墊緩沖作用 內(nèi)耳平衡機(jī)制恢復(fù)平衡 平衡器官保持平衡,不容易被摔死的原因,19,2020/9/25,(sports biomechanics 或 Biomechanics in Sports)應(yīng)用力學(xué)原理和方法研究

8、生物體的外在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)分支。在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中，神經(jīng)系統(tǒng)的控制和反饋的過(guò)程，以簡(jiǎn)明的控制規(guī)律代替肌肉活動(dòng)，簡(jiǎn)化為受控的力矩發(fā)生器，作為研究對(duì)象的人體模型可忽略肌肉變形對(duì)質(zhì)量分布的影響，簡(jiǎn)化為由多個(gè)剛性環(huán)節(jié)組成的多剛體系統(tǒng)。,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué),20,2020/9/25,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論 歷史發(fā)展啟迪 -呂增建主編 2009 “貓旋”之謎-劉景旺 2007 “貓旋”的探索和啟示-吳瑞峰 2009 貓下落時(shí)的翻身與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)-賈書(shū)息 HOW A FALLING CAT TURNS OVER-J. R. Benton Science 19 January 1912: 104-105. DOI:10.1126/science.35.890.104-b,文獻(xiàn),21,2020/9/25,珍惜生命，愛(ài)護(hù)小貓,為了驗(yàn)證“貓旋”,不少人做了無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn),有的甚