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標(biāo)題: 貓咪和狗狗喝水的流體力學(xué)問題 [打印本頁(yè)]
作者: 曉昀 時(shí)間: 2020-12-29 13:36
標(biāo)題: 貓咪和狗狗喝水的流體力學(xué)問題
本帖最后由 曉昀 于 2020-12-29 13:38 編輯
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一眼看過去,，你會(huì)覺得貓和狗喝水沒什么區(qū)別，都是用舌頭舔。
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圖源：Antranik.org、Dogster0 z) Q/ g4 f6 C
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) w6 o( m% D. ?2 ~狗和貓之所以選擇舔水，而不是吸水,，是因?yàn)樨埞返仁橙鈩?dòng)物的面部肌肉和人類比,，少了太多,，在斷奶之后不能密封口腔來(lái)產(chǎn)生吸力,，所以必須依靠舌頭將水送入口中,。
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如果光是簡(jiǎn)單觀察貓和狗喝水，并沒什么太大的差別,，都是把舌頭伸出來(lái),，然后做出舔舐的動(dòng)作。# A% M: N" D* ~
但如果引入了流體力學(xué)的研究方式,，你就會(huì)發(fā)現(xiàn),，貓和狗喝水的方式并不一樣。 Part. 1
( R6 I: J; v9 g& a N貓是如何喝水的,？
4 C& E* q, H" Y& u: i1940年,，美國(guó)洛杉磯的大使酒店舉辦了第12屆奧斯卡金像獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮，那年,，大衛(wèi)·O·塞爾茲尼克制作的《亂世佳人》獲得了包括最佳影片的13個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),，無(wú)疑是當(dāng)年的最大贏家。這和貓?zhí)蛩惺裁搓P(guān)系,？我想說(shuō)的并不是《亂世佳人》,，而是那年的奧斯卡的最佳短片《眨眼之間（ Quicker 'n a Wink ）》。# E0 A2 j! c1 @7 T6 v3 x# h- @
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9 w* U9 V8 N4 ^: |: v# K Quick’n a wink 拍攝劇照 圖源：the guardian
" D; X+ d g% u. A- a i/ X這個(gè)短片介紹了一種攝影技術(shù)——頻閃攝影,，這是一種借助電子閃光燈的連續(xù)閃光,，在畫面上記錄物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程。因?yàn)橐凰查g的動(dòng)作,，在頻閃的作用下,，幾十個(gè)影像會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在畫面上，所以可以展示出人肉眼無(wú)法看到運(yùn)動(dòng)過程,。- H+ F. X( ^: X& y
在短片里面,，展示了不同物體的慢動(dòng)作，比如雞蛋落在槳葉上被打碎的一瞬間,，細(xì)針搓破氣泡的剎那等等,。其中，在4分30秒的時(shí)候,，展示了一只黑白小貓的舔奶過程,。通過頻閃攝影，貓的高速舔奶瞬間以慢動(dòng)作的方式展現(xiàn)了出來(lái),。
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$ R7 I+ t, _5 q1 B 視頻來(lái)源：quick’n a wink
: }0 Z; b2 o3 I- D. l" D不過這個(gè)視頻離解答貓是如何舔水的問題,，還差得遠(yuǎn)呢！這畢竟只是一個(gè)短片,，展示的只是一個(gè)抽象的過程,，并沒有數(shù)據(jù)化的表述過程,，算不上科學(xué)，要知道這可是科普文章,。
" Y( ?( U Y$ t _% s/ b1 c; j# XPedro M. Reis是一位物理學(xué)教授,，他對(duì)貓如何舔水這個(gè)問題很感興趣，在看了上面介紹的頻閃攝影短片后,，2010年,，他做了一個(gè)貓?zhí)蛩牧黧w力學(xué)研究。他先找來(lái)了10只貓,，并用高速攝影機(jī)捕捉它們舔水的每一個(gè)細(xì)節(jié),，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)來(lái)分析。
) ^" u& u% q9 U3 T1 T: x4 `下面幾張圖展示的是高速攝影機(jī)拍下的貓?zhí)蛩^程：
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" [' r. {7 q; |2 [. Q* S ^, [; E
' T) X6 |% z9 P" s h3 c N圖源：文獻(xiàn)1
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' ^* p$ D1 s2 i/ f" A你會(huì)發(fā)現(xiàn),，在單次舔水的過程中，貓的舌尖并不是伸進(jìn)液體里把奶舀進(jìn)嘴里,。而是將舌尖卷曲類似于一個(gè)平面,，然后靠短暫地接觸液面，把水穩(wěn)定“帶”到3cm的高度,，在水因?yàn)橹亓ψ饔孟聣嬛�,，把嘴合上，把滯空的水柱含住�?/strong>這么反反復(fù)復(fù)舔11次,，便完成了喝水的過程,。8 W: g5 [, b8 ~0 f5 A5 o* N8 w/ j
下圖是貓?zhí)蛩念l率（舔的動(dòng)作是從舌頭的伸出開始，到關(guān)上嘴巴）,，你可以看到舔的頻率是相當(dāng)穩(wěn)定的,，大概是每隔0.25s舔一下。) w4 |! r' f! a8 @$ R
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: ], N- i: R0 J- {+ Z1 o4 r1 m/ ^
p; L* ^5 c- p+ A- v圖源：文獻(xiàn)1
* X& ? V7 e+ n( a+ ]舔水的最大速度約是78cm/s（下圖）,。
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圖源：文獻(xiàn)1, @9 t2 N/ V- i5 j5 v9 c1 C: U! w
水是如何被舌頭帶上來(lái)的呢,？科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)舌頭以一定的速度接觸液體并離開的時(shí)候,，水具有一定的粘性,，動(dòng)量的傳遞會(huì)讓一部分水因慣性帶離水面，就像汽車剎車的時(shí)候會(huì)把人甩出去一樣,。上升過程中因?yàn)橛兄亓�,，水的上升速度不斷減慢，只能到達(dá)一定高度,。在整個(gè)作用力分析中,，粘滯力和毛細(xì)管力可以忽略不計(jì)。
5 d' A1 _7 M( B3 X+ I0 M A所以說(shuō)貓?jiān)谔蛩臅r(shí)候,，不是用舌頭把水舀進(jìn)嘴里,，而是通過慣性,，把水帶上來(lái)，再含住,。而貓?zhí)蛩念l率剛剛好在慣性和重力之間進(jìn)行了完美的平衡,，如果再快一點(diǎn)或者再慢一點(diǎn)都不能喝到最多的水。
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/ Y5 V. w% V6 ?% a, f 貓?zhí)蛩齽?dòng)作 圖源：KQEDdeeplook+ ~9 e; N& `( {" F8 W& K) M, ^. x
為了驗(yàn)證自己的想法是對(duì)的,，即貓?zhí)蛩念l率是由重力和慣性決定的,，科學(xué)家做了一個(gè)模型來(lái)復(fù)刻舔水瞬間，模型上圓盤的大小和貓舌頭接觸液面的面積大小一樣,。這個(gè)模型會(huì)垂直接觸水的表面,，通過改變接觸面的大小和速度，來(lái)觀察這兩個(gè)因素對(duì)被帶上來(lái)的水的體積的影響,。* h5 v2 T H N0 ^
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圖源：文獻(xiàn)1' C3 u: \7 Y- g
然后科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，只有以貓?zhí)蛩乃俣群皖l率接觸并離開水面的時(shí)候，上升的水柱體積才是最大的,。所以說(shuō),，貓?zhí)蛩姆绞绞亲羁茖W(xué)的，雖然貓并不知道什么是科學(xué),。$ K. K6 J; `8 I/ ?" L: h& K
然后科學(xué)家通過Youtube觀察了其他貓科動(dòng)物,，比如老虎、獅子,、美洲獅等,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)貓科動(dòng)物的舔水都是有規(guī)律的，并且符合一個(gè)公式：- C( `% T) q0 ^9 g% Q, o
f=4.5M^−0.14 ,，f是頻率,，M是動(dòng)物的質(zhì)量，單位是千克,。公式可以簡(jiǎn)單理解為,，越重的貓咪，舔水的頻率越低,。 Part. 2
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狗是如何喝水的,？. @7 S% o: P# q7 n. P/ f M9 l4 }
狗舔水可沒有貓咪那么優(yōu)雅了。同樣地,，科學(xué)家也是通過高速攝影機(jī)對(duì)狗狗舔水進(jìn)行觀察,。在高速攝影下，可以觀察到狗舔水的基本機(jī)制和貓差不多,，都是舌尖向后彎曲,，然后快速地接觸水面，把水給帶上來(lái),。
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) }0 E4 y+ l% D5 x" {狗舔水慢動(dòng)作 圖源：Reddit
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圖源：文獻(xiàn)2
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/ L9 q' r, t& ]. A( i) w為了更清晰地看到水是如何進(jìn)入狗口中的,，科學(xué)家甚至動(dòng)用了X光機(jī)進(jìn)行拍攝,。既然用了X光機(jī)，狗喝的水肯定也不是普通的水了,，而是混合了鋇和奶的混合物,。這下可以清晰地看到，狗也是利用慣性,，用舌頭把水給“引”上來(lái)的,。
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" S9 n6 C9 ]% k/ D% F! X0 i
) w7 I2 z1 K, x0 I( _! E$ t圖源：文獻(xiàn)2
: D$ n' J" ]' X9 `2 o* u5 P2 B: R但狗舔水不同的地方是，狗舔水會(huì)把舌頭更深地伸入到水里面,，再把舌頭縮回來(lái)的時(shí)候,，這時(shí)就會(huì)濺出很多的水花。也因?yàn)楣诽蛩^進(jìn)入水更深,，因此給人一種狗是用舌頭把水舀起來(lái)的錯(cuò)覺,。
# t$ Z5 l$ W* P! J% D
6 c1 n) W& r t1 `
圖源：VOAnews
) B" ]4 i; Y2 ^. R' B總結(jié)一下，雖然貓和狗的舔水機(jī)制一樣,，但狗舔水的時(shí)候,，控制不好舌頭進(jìn)水的深度，會(huì)打出一個(gè)水花,，這時(shí)候就有可能搞得自己和地板都濕漉漉的；而貓?zhí)蛩臅r(shí)候,，則會(huì)是相對(duì)穩(wěn)定的水柱,，動(dòng)作顯得很干凈。打個(gè)比方,，如果說(shuō)貓咪是跳水運(yùn)動(dòng)員,，壓得住水花，那么狗子就是一個(gè)普通人跳水,。
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看來(lái),，貓比狗優(yōu)雅是真的科學(xué)，喝水壓水花就可以看得出來(lái),。
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參考文獻(xiàn)：1,、Reis P M, Jung S, Aristoff J M, et al. How cats lap: water uptake by Felis catus[J]. Science, 2010, 330(6008): 1231-1234.2、Crompton A W, Musinsky C. How dogs lap: ingestion and intraoral transport in Canis familiaris[J]. Biology letters, 2011, 7(6): 882-884.
作者: 魍者歸來(lái) 時(shí)間: 2020-12-29 14:42
貓其實(shí)是怕把水濺身上
作者: 大白小白 時(shí)間: 2020-12-29 15:12
. t: o# k9 t) d/ E6 n我想說(shuō),，發(fā)明寵物喂水器的是不是利用這個(gè)原理,，讓寵物舔一舔，就有水出; }$ k% }& A. S7 o6 H; B
作者: andriycike 時(shí)間: 2020-12-29 15:44
難怪女的都喜歡養(yǎng)貓養(yǎng)狗
作者: 曉昀 時(shí)間: 2020-12-29 16:18
1 ^8 {8 ~; s' q, Y" p! }什么原因,？為什么這樣認(rèn)為呢,？
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作者: andriycike 時(shí)間: 2020-12-29 17:35
( G# c* Q8 t: m# l5 E我想應(yīng)該是因?yàn)樨堌埞饭房蓯郯?img src="static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12" border="0" alt="" />% J- }) u/ ~3 L; ]0 I2 g! Y G
作者: 大白小白 時(shí)間: 2020-12-29 17:52
8 X; }0 k- y1 s9 \6 W6 C喝水都這么萌，可愛死了,。
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而且還這么科學(xué),，精妙，比人類喝水富有技術(shù)含量,。
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作者: 曉昀 時(shí)間: 2020-12-29 17:56
大白小白 發(fā)表于 2020-12-29 17:52 s6 i( X0 E3 [/ i! C5 B
喝水都這么萌,，可愛死了。( e3 ~! w. ]8 q, G
" y7 c8 ^% z" N3 B; t1 C9 c而且還這么科學(xué),，精妙,，比人類喝水富有技術(shù)含量。
貓咪的嘴巴密封不嚴(yán),，像人類一樣喝水,，會(huì)漏水的，所以,，它就優(yōu)雅點(diǎn)
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作者: 莫若安神 時(shí)間: 2020-12-29 18:04
不經(jīng)意間LZ的研究已經(jīng)到了此種層次,，我等只能望塵莫及啊。
作者: 盧克順 時(shí)間: 2020-12-30 08:24
二哈 喝水算啥
作者: 遠(yuǎn)祥 時(shí)間: 2020-12-30 13:48
貓咪何止是優(yōu)雅,，那完全是高傲好吧,，一般很難馴服！
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