貓咪和狗狗喝水的流體力學(xué)問(wèn)題

曉昀

' A3 E( f  ~1 r' Z, D! v

一眼看過(guò)去，你會(huì)覺(jué)得貓和狗喝水沒(méi)什么區(qū)別,，都是用舌頭舔,。

5 X6 R0 P  p8 Y4 @& r' ?

圖源：Antranik.org、Dogster

, m; p; t  T5 c3 m6 Z

2 d: `7 h3 U5 F8 m% p3 t' V6 x6 D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(lèi)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。

  b- o  i% v- s0 M# T

/ g1 ?8 o% V! M) E如果光是簡(jiǎn)單觀察貓和狗喝水,，并沒(méi)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,。
; M2 _( C8 {! \" b8 t$ x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

* {7 @( a( `. T! |# ~/ q貓是如何喝水的,？
0 c$ f$ A/ ]5 |$ Y9 s2 {1940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�有什么關(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 ）》。

Quick’n a wink 拍攝劇照 圖源：the guardian
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(huà)面上記錄物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(huà)面上，所以可以展示出人肉眼無(wú)法看到運(yùn)動(dòng)過(guò)程,。
, C4 S6 X# q! t5 P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(guò)程,。通過(guò)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),。

3 X4 j1 o  z; J' {2 k" ^

視頻來(lái)源：quick’n  a wink
不過(guò)這個(gè)視頻離解答貓是如何舔水的問(wèn)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(guò)程,，并沒(méi)有數(shù)據(jù)化的表述過(guò)程，算不上科學(xué),，要知道這可是科普文章,。
Pedro M. Reis是一位物理學(xué)教授，他對(duì)貓如何舔水這個(gè)問(wèn)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�的流體力學(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,。
! e. p% K6 r" \! {, I下面幾張圖展示的是高速攝影機(jī)拍下的貓?zhí)蛩�過(guò)程：

( s5 D7 w& ]' N3 |# h, w) }' }

6 c( a4 V; x# e+ E$ d: z

1 `4 k$ @0 u( F; l

  T$ H; G, E- p% q

5 b. ]# v5 w, B6 I

+ k% X- M' C) x% ]: ?& X* w! d; p4 Q

5 F5 }  `9 }7 \1 p( u/ `圖源：文獻(xiàn)1

你會(huì)發(fā)現(xiàn),，在單次舔水的過(guò)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(lèi)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(guò)程,。
下圖是貓?zhí)蛩�的頻率（舔的動(dòng)作是從舌頭的伸出開(kāi)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。
  U6 c$ ^) L7 |4 Z# y) q

$ ~& J; P. f" f3 p

3 X' n+ G' @$ u



1 j0 d3 P" b5 s" x圖源：文獻(xiàn)1
舔水的最大速度約是78cm/s（下圖）,。 圖源：文獻(xiàn)1
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(kāi)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(chē)剎車(chē)的時(shí)候會(huì)把人甩出去一樣,。上升過(guò)程中因?yàn)橛兄亓Γ�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),。
所以說(shuō)貓?jiān)谔蛩�的時(shí)候,，不是用舌頭把水舀進(jìn)嘴里，而是通過(guò)慣性,，把水帶上來(lái),，再含住。而貓?zhí)蛩�的頻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,。
4 ^/ `6 t) W& g

+ B3 Y' i' G% w: A, c/ A: c

貓?zhí)蛩�慢�?dòng)作 圖源：KQEDdeeplook
為了驗(yàn)證自己的想法是對(duì)的，即貓?zhí)蛩�的頻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(pán)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(guò)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。

5 k1 N. J% s2 Y3 _; ]0 T3 T圖源：文獻(xiàn)1
然后科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，只有以貓?zhí)蛩�的速度和頻率接觸并離開(kāi)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�的方式是最科學(xué)的,，雖然貓并不知道什么是科學(xué),。
+ N  e0 Q5 R9 l然后科學(xué)家通過(guò)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：
' X% D  v0 o9 w7 G( y% d& f- j& u9 w, Pf=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

狗是如何喝水的？
: O2 ^7 C7 B; F( E9 {% m- F- U+ C( D狗舔水可沒(méi)有貓咪那么優(yōu)雅了,。同樣地,，科學(xué)家也是通過(guò)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),。

" W: V3 F. o0 x$ s' p3 c

# H) b- j; k$ ?5 d0 z8 [
2 M& k7 Z; E6 s# z9 z

狗舔水慢動(dòng)作 圖源：Reddit

3 I7 K3 O$ t3 h) e! Q  D

圖源：文獻(xiàn)2

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,。
8 p; r  o+ G0 _2 R$ z. v& C
5 N7 K* O8 H8 H/ N  M$ r0 C* }

8 j" N8 W( k( r$ A1 V, A

圖源：文獻(xiàn)2

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�頭進(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(jué),。

4 c: U! d. F$ q: p5 C, ?

圖源：VOAnews

$ w' e  h( ^: w& E& a2 d( ^6 C- W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�的時(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,。

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),。

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.

魍者歸來(lái)

貓其實(shí)是怕把水濺身上

大白小白

魍者歸來(lái) 發(fā)表于 2020-12-29 14:42
2 z9 {/ g: s6 m2 x1 ^) o- z8 d貓其實(shí)是怕把水濺身上

6 }5 p. c  `! u/ ?! J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

andriycike

難怪女的都喜歡養(yǎng)貓養(yǎng)狗

曉昀

andriycike 發(fā)表于 2020-12-29 15:44
6 X) E6 n8 \% Y5 {; y) P難怪女的都喜歡養(yǎng)貓養(yǎng)狗

什么原因？為什么這樣認(rèn)為呢,？

andriycike

曉昀 發(fā)表于 2020-12-29 16:18
什么原因,？為什么這樣認(rèn)為呢？

  S1 u" T9 ]# t1 b; C4 o, {/ \我想應(yīng)該是因?yàn)樨堌埞饭房蓯?ài)吧
; Z2 n) i, C# h

大白小白

曉昀 發(fā)表于 2020-12-29 16:18
5 N* c. h5 l, i0 s" A5 d$ r+ w什么原因,？為什么這樣認(rèn)為呢,？

喝水都這么萌，可愛(ài)死了,。

而且還這么科學(xué),，精妙，比人類(lèi)喝水富有技術(shù)含量,。

曉昀

大白小白 發(fā)表于 2020-12-29 17:52
8 J$ E# ?7 I/ n% c喝水都這么萌,，可愛(ài)死了。

而且還這么科學(xué),，精妙,，比人類(lèi)喝水富有技術(shù)含量,。

, Y4 j# j- t8 x" x. n9 i貓咪的嘴巴密封不嚴(yán)，像人類(lèi)一樣喝水,，會(huì)漏水的,，所以，它就優(yōu)雅點(diǎn)

莫若安神

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,。

盧克順

二哈 喝水算啥