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標題: 貓咪和狗狗喝水的流體力學問題 [打印本頁]
作者: 曉昀    時間: 2020-12-29 13:36
標題: 貓咪和狗狗喝水的流體力學問題
本帖最后由 曉昀 于 2020-12-29 13:38 編輯 % l. e- f, O9 x, c* \) T6 U

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一眼看過去，你會覺得貓和狗喝水沒什么區別，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生吸力，所以必須依靠舌頭將水送入口中。
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! T" h" Z3 _: b6 n- T- 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。
% _1 Y0 W! y1 K/ c+ X  t但如果引入了流體力學的研究方式，你就會發現，貓和狗喝水的方式并不一樣。
Part. 1
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貓是如何喝水的？
  z7 S3 h" @3 B: p1 q1940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·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，無疑是當年的最大贏家。這和貓舔水有什么關系？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+ P, Q2 A: ]) V" Y2 ~/ b, z
這個短片介紹了一種攝影技術——頻閃攝影，這是一種借助電子閃光燈的連續閃光，在畫面上記錄物體的連續運動過程。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在畫面上，所以可以展示出人肉眼無法看到運動過程。
+ X- P$ P3 o7 H# S- H$ }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了出來。
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視頻來源：quick’n  a wink7 m5 g" A8 Q0 h0 j2 ~! K; _0 A! `
不過這個視頻離解答貓是如何舔水的問題，還差得遠呢！這畢竟只是一個短片，展示的只是一個抽象的過程，并沒有數據化的表述過程，算不上科學，要知道這可是科普文章。9 H$ h) k. b: Y# A2 H9 k6 W
Pedro M. Reis是一位物理學教授，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，他做了一個貓舔水的流體力學研究。他先找來了10只貓，并用高速攝影機捕捉它們舔水的每一個細節，進而轉化為數據來分析。
7 s. E8 u0 l$ ?* O; ^下面幾張圖展示的是高速攝影機拍下的貓舔水過程：' W4 Y9 B8 m7 t: @
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$ G9 C! u0 x4 \5 \8 M圖源：文獻1$ {3 K5 N! @. t4 g/ \7 p7 ]0 u* w

  C6 M" q: L* I- r- V你會發現，在單次舔水的過程中，貓的舌尖并不是伸進液體里把奶舀進嘴里。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。這么反反復復舔11次，便完成了喝水的過程。
8 y1 D) i! A( s4 y( f7 g# n2 b$ O下圖是貓舔水的頻率（舔的動作是從舌頭的伸出開始，到關上嘴巴），你可以看到舔的頻率是相當穩定的，大概是每隔0.25s舔一下。
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圖源：文獻18 |* B, a* g0 G4 g8 Y! ~  X
舔水的最大速度約是78cm/s（下圖）。 (, 下載次數: 200) 圖源：文獻14 G" T) L2 G' R- R
水是如何被舌頭帶上來的呢？科學家認為，當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，只能到達一定高度。在整個作用力分析中，粘滯力和毛細管力可以忽略不計。7 ^# N3 F  c& p$ o* W
所以說貓在舔水的時候，不是用舌頭把水舀進嘴里，而是通過慣性，把水帶上來，再含住。而貓舔水的頻率剛剛好在慣性和重力之間進行了完美的平衡，如果再快一點或者再慢一點都不能喝到最多的水。0 G( V7 N2 l( Q% c
(, 下載次數: 271) / b# T' r1 n4 Y* d* o: t
貓舔水慢動作 圖源：KQEDdeeplook9 M& S7 R( I6 }& p3 U
為了驗證自己的想法是對的，即貓舔水的頻率是由重力和慣性決定的，科學家做了一個模型來復刻舔水瞬間，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。
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4 F0 [2 W  _& J% {0 ?圖源：文獻1
8 W% h+ W" E; H% G! M然后科學家發現，只有以貓舔水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，貓舔水的方式是最科學的，雖然貓并不知道什么是科學。; X* o1 j% t2 s! h6 j8 l
然后科學家通過Youtube觀察了其他貓科動物，比如老虎、獅子、美洲獅等，結果發現貓科動物的舔水都是有規律的，并且符合一個公式：7 i3 p; t, L5 X8 K9 Z0 q
f=4.5M^−0.14 ，f是頻率，M是動物的質量，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

0 a5 @1 r! l$ o# `狗是如何喝水的？5 c, q+ w7 Y1 r
狗舔水可沒有貓咪那么優雅了。同樣地，科學家也是通過高速攝影機對狗狗舔水進行觀察。在高速攝影下，可以觀察到狗舔水的基本機制和貓差不多，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2
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為了更清晰地看到水是如何進入狗口中的，科學家甚至動用了X光機進行拍攝。既然用了X光機，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2
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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。也因為狗舔水頭進入水更深，因此給人一種狗是用舌頭把水舀起來的錯覺。
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圖源：VOAnews
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總結一下，雖然貓和狗的舔水機制一樣，但狗舔水的時候，控制不好舌頭進水的深度，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；而貓舔水的時候，則會是相對穩定的水柱，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。
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看來，貓比狗優雅是真的科學，喝水壓水花就可以看得出來。

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參考文獻：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    時間: 2020-12-29 14:42
貓其實是怕把水濺身上
作者: 大白小白    時間: 2020-12-29 15:12
魍者歸來 發表于 2020-12-29 14:42
. {# h& O0 |+ a0 |貓其實是怕把水濺身上
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我想說，發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
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作者: andriycike    時間: 2020-12-29 15:44
難怪女的都喜歡養貓養狗
作者: 曉昀    時間: 2020-12-29 16:18
andriycike 發表于 2020-12-29 15:446 s& `6 F3 G4 a1 P. g
難怪女的都喜歡養貓養狗

# L$ B  B! \$ y2 E什么原因？為什么這樣認為呢？7 T. W2 k& S$ T6 I+ X
作者: andriycike    時間: 2020-12-29 17:35
曉昀 發表于 2020-12-29 16:18# w6 L( b( X$ p
什么原因？為什么這樣認為呢？
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我想應該是因為貓貓狗狗可愛吧7 F2 X) s/ ~4 i2 h+ F$ w2 \
作者: 大白小白    時間: 2020-12-29 17:52
曉昀 發表于 2020-12-29 16:18
  l1 E, h: Q7 l9 d3 \% i什么原因？為什么這樣認為呢？
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喝水都這么萌，可愛死了。6 k6 F5 s" z2 o! T- v, S& x
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而且還這么科學，精妙，比人類喝水富有技術含量。5 k& T4 }% L- a/ j# x
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作者: 曉昀    時間: 2020-12-29 17:56
大白小白 發表于 2020-12-29 17:520 b- z' h/ u/ Z' H6 b
喝水都這么萌，可愛死了。
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8 m" v. ?2 z9 s* X6 v( M& H! e而且還這么科學，精妙，比人類喝水富有技術含量。

: ]. ]; D; ^) m6 _" g$ j% U貓咪的嘴巴密封不嚴，像人類一樣喝水，會漏水的，所以，它就優雅點
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作者: 莫若安神    時間: 2020-12-29 18:04
不經意間LZ的研究已經到了此種層次，我等只能望塵莫及啊。
作者: 盧克順    時間: 2020-12-30 08:24
二哈 喝水算啥
作者: 遠祥    時間: 2020-12-30 13:48
貓咪何止是優雅，那完全是高傲好吧，一般很難馴服！



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