貓咪和狗狗喝水的流體力學(xué)問題

曉昀

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一眼看過去,，你會覺得貓和狗喝水沒什么區(qū)別，都是用舌頭舔。

圖源：Antranik.org,、Dogster
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狗和貓之所以選擇舔水,，而不是吸水，是因為貓狗等食肉動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產(chǎn)生吸力，所以必須依靠舌頭將水送入口中,。

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2 f: o& L% |6 R7 D7 e3 r* f如果光是簡單觀察貓和狗喝水,，并沒什么太大的差別，都是把舌頭伸出來,，然后做出舔舐的動作,。
但如果引入了流體力學(xué)的研究方式，你就會發(fā)現(xiàn),，貓和狗喝水的方式并不一樣,。

Part. 1

貓是如何喝水的？
! j6 w+ p' S; f1940年,，美國洛杉磯的大使酒店舉辦了第12屆奧斯卡金像獎頒獎典禮,，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個獎項，無疑是當(dāng)年的最大贏家,。這和貓?zhí)蛩�有什么關(guān)系,？我想說的并不是《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 ）》,。

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Quick’n a wink 拍攝劇照 圖源：the guardian
6 z# D: H6 e" U6 z- `1 \" ?' [這個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)運動過程,。因為一瞬間的動作,，在頻閃的作用下，幾十個影像會同時出現(xiàn)在畫面上,，所以可以展示出人肉眼無法看到運動過程,。
2 B* m- ?8 Q- }4 e  B( w9 ?' t在短片里面，展示了不同物體的慢動作,，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作的方式展現(xiàn)了出來,。

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視頻來源：quick’n  a wink
' U2 z& N! P6 j3 r3 @  C不過這個視頻離解答貓是如何舔水的問題，還差得遠(yuǎn)呢,！這畢竟只是一個短片,，展示的只是一個抽象的過程，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。
( z- N) i7 Q( N' s! r1 APedro M. Reis是一位物理學(xué)教授,，他對貓如何舔水這個問題很感興趣,，在看了上面介紹的頻閃攝影短片后，2010年,，他做了一個貓?zhí)蛩�的流體力學(xué)研究,。他先找來了10只貓，并用高速攝影機(jī)捕捉它們舔水的每一個細(xì)節(jié),，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)來分析,。
下面幾張圖展示的是高速攝影機(jī)拍下的貓?zhí)蛩�過程：

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1 P- A9 a: Y3 Y6 z4 K1 R* @圖源：文獻(xiàn)1

你會發(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,，在水因為重力作用下墜之前,，把嘴合上，把滯空的水柱含住,。這么反反復(fù)復(fù)舔11次,，便完成了喝水的過程。
下圖是貓?zhí)蛩�的頻率（舔的動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,。
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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
( \3 P" j! Q; M# e水是如何被舌頭帶上來的呢？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候，水具有一定的粘性,，動量的傳遞會讓一部分水因慣性帶離水面,，就像汽車剎車的時候會把人甩出去一樣。上升過程中因為有重力,，水的上升速度不斷減慢,，只能到達(dá)一定高度。在整個作用力分析中,，粘滯力和毛細(xì)管力可以忽略不計,。
/ u4 M7 N" D. p5 ^. [2 p- G% ]所以說貓在舔水的時候，不是用舌頭把水舀進(jìn)嘴里,，而是通過慣性,，把水帶上來，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,，如果再快一點或者再慢一點都不能喝到最多的水。

貓?zhí)蛩�慢動�?圖源：KQEDdeeplook
為了驗證自己的想法是對的,，即貓?zhí)蛩�的頻率是由重力和慣性決定的,，科學(xué)家做了一個模型來復(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,。這個模型會垂直接觸水的表面,，通過改變接觸面的大小和速度，來觀察這兩個因素對被帶上來的水的體積的影響,。

圖源：文獻(xiàn)1
5 U7 e0 F1 p' ^9 ]' H1 }* W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水面的時候,，上升的水柱體積才是最大的。所以說,，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)。
, }# ~* k4 U- s2 `; [. s( L# s4 I& C; G然后科學(xué)家通過Youtube觀察了其他貓科動物,，比如老虎,、獅子、美洲獅等,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)貓科動物的舔水都是有規(guī)律的,，并且符合一個公式：
f=4.5M^−0.14 ，f是頻率,，M是動物的質(zhì)量,，單位是千克。公式可以簡單理解為,，越重的貓咪,，舔水的頻率越低。

Part. 2

2 v3 D, o( E1 V& w8 q狗是如何喝水的,？
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。

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狗舔水慢動作 圖源：Reddit

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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”上來的,。
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圖源：文獻(xiàn)2

但狗舔水不同的地方是，狗舔水會把舌頭更深地伸入到水里面,，再把舌頭縮回來的時候,，這時就會濺出很多的水花。也因為狗舔水頭進(jìn)入水更深,，因此給人一種狗是用舌頭把水舀起來的錯覺,。

圖源：VOAnews

總結(jié)一下,，雖然貓和狗的舔水機(jī)制一樣，但狗舔水的時候,，控制不好舌頭進(jìn)水的深度,，會打出一個水花，這時候就有可能搞得自己和地板都濕漉漉的,；而貓?zhí)蛩�的時候,，則會是相對穩(wěn)定的水柱，動作顯得很干凈,。打個比方,，如果說貓咪是跳水運動員，壓得住水花,，那么狗子就是一個普通人跳水,。

看來，貓比狗優(yōu)雅是真的科學(xué),，喝水壓水花就可以看得出來,。

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

貓其實是怕把水濺身上

大白小白

魍者歸來 發(fā)表于 2020-12-29 14:42
貓其實是怕把水濺身上

我想說,，發(fā)明寵物喂水器的是不是利用這個原理,，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
難怪女的都喜歡養(yǎng)貓養(yǎng)狗

2 [" u; ^# ?4 R1 }$ p: E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
2 ^- q# {1 V% I* K什么原因？為什么這樣認(rèn)為呢,？

我想應(yīng)該是因為貓貓狗狗可愛吧
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大白小白

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

喝水都這么萌,，可愛死了,。

0 I8 ?2 U' O8 i) Y7 F+ C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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曉昀

大白小白 發(fā)表于 2020-12-29 17:52
$ g8 h3 e& u# h0 W; B喝水都這么萌,，可愛死了。

而且還這么科學(xué),，精妙,，比人類喝水富有技術(shù)含量。

" S$ ]/ ~2 J; F& [: j" A8 ~0 r貓咪的嘴巴密封不嚴(yán),，像人類一樣喝水,，會漏水的，所以,，它就優(yōu)雅點
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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