貓咪和狗狗喝水的流體力學問題

曉昀

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一眼看過去，你會覺得貓和狗喝水沒什么區別，都是用舌頭舔。

圖源：Antranik.org、Dogster
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7 [: f1 L9 t( n( c: t) N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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" h6 B; k8 k3 X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的研究方式，你就會發現，貓和狗喝水的方式并不一樣。

Part. 1

7 V. s. v3 S& O6 b貓是如何喝水的？
1940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
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。
+ S; r" \, Y- A+ N! V& N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。

視頻來源：quick’n  a wink
* o1 P6 c" E& v  A) S' y1 k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。
) D7 H" u: ^2 U+ D" i. _+ APedro 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。
下面幾張圖展示的是高速攝影機拍下的貓舔水過程：

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圖源：文獻1

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。
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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: K$ y5 u1 b1 d! l& P圖源：文獻1
舔水的最大速度約是78cm/s（下圖）。 圖源：文獻1
3 O0 [5 e8 e% v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。
/ Y7 k. U* a! k3 J4 O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。

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貓舔水慢動作 圖源：KQEDdeeplook
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。

圖源：文獻1
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。
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：
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

2 K& }5 _9 Y8 B& I- ^狗是如何喝水的？
( ]+ {, @4 E' N3 T7 m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

: W* Q5 `: ?  D! m# G) N+ v* L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

8 `6 p5 E4 ]3 \& P+ l2 i" ^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。

圖源：VOAnews

! n0 T4 t1 a/ N: X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。

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.

魍者歸來

貓其實是怕把水濺身上

大白小白

魍者歸來 發表于 2020-12-29 14:42
/ c$ D: [  C% [; b' f2 E貓其實是怕把水濺身上

8 F6 V' ?, F- Q6 K) l, v/ y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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andriycike

難怪女的都喜歡養貓養狗

曉昀

andriycike 發表于 2020-12-29 15:44
難怪女的都喜歡養貓養狗

什么原因？為什么這樣認為呢？
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andriycike

曉昀 發表于 2020-12-29 16:18
' q8 l/ a* O4 V9 O* S, u/ m) Z什么原因？為什么這樣認為呢？

我想應該是因為貓貓狗狗可愛吧
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大白小白

曉昀 發表于 2020-12-29 16:18
" S) ]2 Z( s5 F, r0 ]! X什么原因？為什么這樣認為呢？

. g, w7 d' ~" _; n, W喝水都這么萌，可愛死了。
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而且還這么科學，精妙，比人類喝水富有技術含量。

曉昀

大白小白 發表于 2020-12-29 17:52
- c5 r* _7 Z& D* W% g+ g喝水都這么萌，可愛死了。

- [, D+ C; J* V. F而且還這么科學，精妙，比人類喝水富有技術含量。

1 f; f$ ^9 g. _+ G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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莫若安神

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。

盧克順

二哈 喝水算啥