猫咪和狗狗喝水的流体力学问题

晓昀

一眼看过去，你会觉得猫和狗喝水没什么区别，都是用舌头舔。

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图源：Antranik.org、Dogster

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; P# W" q, c* ?  |# F, ?! M狗和猫之所以选择舔水，而不是吸水，是因为猫狗等食肉动物的面部肌肉和人类比，少了太多，在断奶之后不能密封口腔来产生吸力，所以必须依靠舌头将水送入口中。

" P1 c1 [5 Q3 M$ v  t2 r) w如果光是简单观察猫和狗喝水，并没什么太大的差别，都是把舌头伸出来，然后做出舔舐的动作。
但如果引入了流体力学的研究方式，你就会发现，猫和狗喝水的方式并不一样。

Part. 1

猫是如何喝水的？
3 S6 Y, d3 I* y1940年，美国洛杉矶的大使酒店举办了第12届奥斯卡金像奖颁奖典礼，那年，大卫·O·塞尔兹尼克制作的《乱世佳人》获得了包括最佳影片的13个奖项，无疑是当年的最大赢家。这和猫舔水有什么关系？我想说的并不是《乱世佳人》，而是那年的奥斯卡的最佳短片《眨眼之间（ Quicker 'n a Wink ）》。

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Quick’n a wink 拍摄剧照 图源：the guardian
这个短片介绍了一种摄影技术——频闪摄影，这是一种借助电子闪光灯的连续闪光，在画面上记录物体的连续运动过程。因为一瞬间的动作，在频闪的作用下，几十个影像会同时出现在画面上，所以可以展示出人肉眼无法看到运动过程。
4 k' s: B$ s) g* I在短片里面，展示了不同物体的慢动作，比如鸡蛋落在桨叶上被打碎的一瞬间，细针搓破气泡的刹那等等。其中，在4分30秒的时候，展示了一只黑白小猫的舔奶过程。通过频闪摄影，猫的高速舔奶瞬间以慢动作的方式展现了出来。

视频来源：quick’n  a wink
不过这个视频离解答猫是如何舔水的问题，还差得远呢！这毕竟只是一个短片，展示的只是一个抽象的过程，并没有数据化的表述过程，算不上科学，要知道这可是科普文章。
! H( T1 U) D, I. h) n2 P  [8 u3 hPedro M. Reis是一位物理学教授，他对猫如何舔水这个问题很感兴趣，在看了上面介绍的频闪摄影短片后，2010年，他做了一个猫舔水的流体力学研究。他先找来了10只猫，并用高速摄影机捕捉它们舔水的每一个细节，进而转化为数据来分析。
下面几张图展示的是高速摄影机拍下的猫舔水过程：

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( R: s0 w) M& p图源：文献1
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, X& S8 G  Q% u  X/ M你会发现，在单次舔水的过程中，猫的舌尖并不是伸进液体里把奶舀进嘴里。而是将舌尖卷曲类似于一个平面，然后靠短暂地接触液面，把水稳定“带”到3cm的高度，在水因为重力作用下坠之前，把嘴合上，把滞空的水柱含住。这么反反复复舔11次，便完成了喝水的过程。
# H: j; }3 X9 J0 Q下图是猫舔水的频率（舔的动作是从舌头的伸出开始，到关上嘴巴），你可以看到舔的频率是相当稳定的，大概是每隔0.25s舔一下。
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图源：文献1
; Z; C/ i/ q& m# ]0 R& |舔水的最大速度约是78cm/s（下图）。 图源：文献1
# T) o+ F: B+ E$ G9 Q水是如何被舌头带上来的呢？科学家认为，当舌头以一定的速度接触液体并离开的时候，水具有一定的粘性，动量的传递会让一部分水因惯性带离水面，就像汽车刹车的时候会把人甩出去一样。上升过程中因为有重力，水的上升速度不断减慢，只能到达一定高度。在整个作用力分析中，粘滞力和毛细管力可以忽略不计。
所以说猫在舔水的时候，不是用舌头把水舀进嘴里，而是通过惯性，把水带上来，再含住。而猫舔水的频率刚刚好在惯性和重力之间进行了完美的平衡，如果再快一点或者再慢一点都不能喝到最多的水。
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猫舔水慢动作 图源：KQEDdeeplook
; p) s2 {/ z+ y9 C( X为了验证自己的想法是对的，即猫舔水的频率是由重力和惯性决定的，科学家做了一个模型来复刻舔水瞬间，模型上圆盘的大小和猫舌头接触液面的面积大小一样。这个模型会垂直接触水的表面，通过改变接触面的大小和速度，来观察这两个因素对被带上来的水的体积的影响。

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' d1 \& P* G  R9 @图源：文献1
然后科学家发现，只有以猫舔水的速度和频率接触并离开水面的时候，上升的水柱体积才是最大的。所以说，猫舔水的方式是最科学的，虽然猫并不知道什么是科学。
然后科学家通过Youtube观察了其他猫科动物，比如老虎、狮子、美洲狮等，结果发现猫科动物的舔水都是有规律的，并且符合一个公式：
f=4.5M^−0.14 ，f是频率，M是动物的质量，单位是千克。公式可以简单理解为，越重的猫咪，舔水的频率越低。

Part. 2

狗是如何喝水的？
. J7 `1 h; M( m6 I. w) Y8 [4 m狗舔水可没有猫咪那么优雅了。同样地，科学家也是通过高速摄影机对狗狗舔水进行观察。在高速摄影下，可以观察到狗舔水的基本机制和猫差不多，都是舌尖向后弯曲，然后快速地接触水面，把水给带上来。

狗舔水慢动作 图源：Reddit

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图源：文献2

为了更清晰地看到水是如何进入狗口中的，科学家甚至动用了X光机进行拍摄。既然用了X光机，狗喝的水肯定也不是普通的水了，而是混合了钡和奶的混合物。这下可以清晰地看到，狗也是利用惯性，用舌头把水给“引”上来的。
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图源：文献2

但狗舔水不同的地方是，狗舔水会把舌头更深地伸入到水里面，再把舌头缩回来的时候，这时就会溅出很多的水花。也因为狗舔水头进入水更深，因此给人一种狗是用舌头把水舀起来的错觉。

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图源：VOAnews

3 M' n7 r4 C1 P  i, Q总结一下，虽然猫和狗的舔水机制一样，但狗舔水的时候，控制不好舌头进水的深度，会打出一个水花，这时候就有可能搞得自己和地板都湿漉漉的；而猫舔水的时候，则会是相对稳定的水柱，动作显得很干净。打个比方，如果说猫咪是跳水运动员，压得住水花，那么狗子就是一个普通人跳水。

看来，猫比狗优雅是真的科学，喝水压水花就可以看得出来。

参考文献：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.

魍者归来

猫其实是怕把水溅身上

大白小白

魍者归来 发表于 2020-12-29 14:42
1 V- ^1 o( H" ]; p0 K9 O  _猫其实是怕把水溅身上

我想说，发明宠物喂水器的是不是利用这个原理，让宠物舔一舔，就有水出
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andriycike

难怪女的都喜欢养猫养狗

晓昀

andriycike 发表于 2020-12-29 15:44
难怪女的都喜欢养猫养狗

0 v0 F+ _! k: y4 f, p7 r- M什么原因？为什么这样认为呢？
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andriycike

晓昀 发表于 2020-12-29 16:18
# q' M; u2 ~1 ^8 S9 |+ m* b什么原因？为什么这样认为呢？

% R4 U+ r+ Y( e# ]8 J9 P7 d我想应该是因为猫猫狗狗可爱吧

大白小白

晓昀 发表于 2020-12-29 16:18
什么原因？为什么这样认为呢？

喝水都这么萌，可爱死了。
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$ t' i; y. t+ b7 h; e而且还这么科学，精妙，比人类喝水富有技术含量。

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晓昀

大白小白 发表于 2020-12-29 17:52
. c( _4 g! M" t( j喝水都这么萌，可爱死了。
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$ M3 q$ u3 N1 `7 m1 Q而且还这么科学，精妙，比人类喝水富有技术含量。

猫咪的嘴巴密封不严，像人类一样喝水，会漏水的，所以，它就优雅点

莫若安神

不经意间LZ的研究已经到了此种层次，我等只能望尘莫及啊。

卢克顺

二哈 喝水算啥