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(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,、Dogster
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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，然后做出舔舐的動(dòng)作,。
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

3 l6 V5 O8 g& U' T貓是如何喝水的,？
* [! i0 O" l! o8 V0 u1940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
2 l$ n" a& x, R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法看到運(yùn)動(dòng)過程,。
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,。

視頻來源：quick’n  a wink
4 K' l% `6 m6 b* W- T: o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,。
Pedro 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�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(gè)細(xì)節(jié),，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)來分析,。
, H, r* [2 A+ R  u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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) X8 H4 b: D6 W/ y9 e5 `1 ^圖源：文獻(xiàn)1

+ V, z; o; n: l3 R7 ~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�前，把嘴合��,，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。
& s% N5 k* f& E; P) J& I: O8 T3 X6 K下圖是貓?zhí)蛩�的頻率（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,。
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7 Y1 z5 G8 p, f9 R0 o$ s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
( o2 S. ~* k% B9 O; S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(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),。
所以說貓?jiān)谔蛩�的時(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,，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,。

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,，來觀察這兩個(gè)因素對(duì)被帶上來的水的體積的影響,。
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: X# k# O/ O% n( y. ^- q; k* @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水面的時(shí)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),。
  E6 F2 ~' p' j  o3 A/ X% N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：
) n/ z: J  T" v$ Y6 {. Y/ ^  Vf=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？
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,。

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狗舔水慢動(dòng)作 圖源：Reddit

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圖源：文獻(xiàn)2

0 W: {& M6 \! t7 T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”上來的。
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圖源：文獻(xiàn)2

/ x. k0 B# r! b: h, }  a1 `9 |; m# y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的錯(cuò)覺。

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圖源：VOAnews

0 \; F! _$ I7 P% u) n0 b  |: q  `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,。

7 d0 t8 Y5 n+ F4 W8 ^( b) Y4 t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,。

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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.

魍者歸來

貓其實(shí)是怕把水濺身上

大白小白

魍者歸來 發(fā)表于 2020-12-29 14:42
) H* n( d$ `" ~1 i8 O6 R" z7 i+ k$ S" E貓其實(shí)是怕把水濺身上

7 X4 X7 F/ I: C7 }我想說，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
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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
" j+ d- W( Z- E1 {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
" B) A' ]7 n( k4 l* C什么原因,？為什么這樣認(rèn)為呢,？

' S9 t& ~" n8 I+ Y* Y1 I8 M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="" />

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,？

( I3 k" G3 O& X- b$ h喝水都這么萌,，可愛死了。

: S% {$ {; T" t2 |4 x, B1 }$ y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
喝水都這么萌,，可愛死了,。
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- V! [+ s2 K  K, H$ X- ~, k- z而且還這么科學(xué)，精妙,，比人類喝水富有技術(shù)含量,。

* P  g+ S0 ?! \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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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