貓咪和狗狗喝水的流體力學(xué)問題

曉昀

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
7 B$ W- ^$ A' ~5 W' W: z! l4 a

4 c2 J: i  M7 C. L: p1 W$ e% L

# G  U: q: h; y( W9 t5 H狗和貓之所以選擇舔水，而不是吸水，是因?yàn)樨埞返仁橙鈩游锏拿娌考∪夂腿祟惐龋倭颂啵?/font>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。

$ g0 W3 t0 L1 r2 ^# L. w5 `) B

; a8 J; o5 I  }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。
' e2 z: D' N1 {# D; b3 ~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

3 u) ~' w% m  n7 v貓是如何喝水的？
1 U3 f. i1 @; a2 ~2 R' o1940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(xiàng)，無疑是當(dāng)年的最大贏家。這和貓?zhí)蛩惺裁搓P(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 ）》。
( }% Y  M# X: a- K7 ^8 C7 R

Quick’n a wink 拍攝劇照 圖源：the guardian
/ Q5 H; _9 E% H8 H9 j8 \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(yùn)動過程。因?yàn)橐凰查g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(yùn)動過程。
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。

視頻來源：quick’n  a wink
5 r6 J! X  Q, _& L- L! U: ~6 ?! G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。
  B2 a0 e2 w9 [+ FPedro 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牧黧w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^程：
5 u, v" Y9 j( p$ s1 @! \3 \

- f% I. H& ?8 W) ^! n  ^1 m

, B! w4 T9 ~$ Z" E

, q: e" E% @4 v

  A0 s0 n: G* ^+ F

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?yàn)橹亓ψ饔孟聣嬛埃炎旌仙希褱盏乃　?/strong>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念l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。
! W/ z7 S9 `* P* J

+ P4 G; Q# F$ o* X) O: ^

5 J; a/ y& R4 M: P" |0 k
2 @) y% F& s" ]1 l
" F  ?! t6 I* j" s
' t: Z+ p5 t4 m! O6 K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
( R  V* _& ]& w, q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?yàn)橛兄亓Γ纳仙俣炔粩鄿p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(jì)。
/ H, n# i+ L7 z0 [/ e1 u所以說貓?jiān)谔蛩臅r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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。

貓?zhí)蛩齽幼?圖源：KQEDdeeplook
為了驗(yàn)證自己的想法是對的，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。

4 V; ~/ G8 R- d& C5 V" u

" u/ t+ I& i2 D' m) f
# h- D4 z$ Z8 w5 Z, Z圖源：文獻(xiàn)1
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候，上升的水柱體積才是最大的。所以說，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)。
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

狗是如何喝水的？
) D4 ]0 e( R! I5 c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。

* C* y& u5 @) \$ H6 \4 [; t, l, J

狗舔水慢動作 圖源：Reddit

5 n. l; b# L/ ~. r
* k  m; s; t9 m% s5 v/ C

, M7 p5 m6 |4 C+ S& x: P& W

/ s9 E, A& r4 H& {

圖源：文獻(xiàn)2

' H& y- b# y4 v- n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。
& s, r! D# R; b, f6 k- p
1 \7 e7 O! U" J2 t7 {$ [% b

# L# ]; A- e2 ^6 h

圖源：文獻(xiàn)2

: ?' L) w% j3 O0 ^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?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的錯覺。

% M2 i3 S) N" o

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臅r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(yùn)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。

( T- o0 T) Y& B

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
貓其實(shí)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

& u5 t1 d4 v, r6 S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？

5 p0 [; {" H% @' _0 y( L) K0 k$ N7 C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* }& B) s& [, B* U

大白小白

曉昀 發(fā)表于 2020-12-29 16:18
( x+ i4 m. a& ~! f' e什么原因？為什么這樣認(rèn)為呢？

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。

曉昀

大白小白 發(fā)表于 2020-12-29 17:52
4 n7 d4 X9 L9 K2 T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。

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(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