如果艾萨克牛顿当年只研究猫的话,他就永远不可能发现运动定律了。现在我们假设这样一个场景,我们把一只猫肚子朝上,从二楼的窗户扔下去。如果猫只是一个遵守牛顿运动定律的机械系统,那么它应该会背部着地。然而,大多数猫通常会在下落过程中扭动身体让脚部着地,以此来避免受伤。一个多世纪以来,科学家们一直在思考猫咪做到这个动作的物理学原理。
关键在于猫不是封闭的机械系统,而是可以“消耗储存的能量……从而增强机械运动”的一类研究对象。物理定律同样适用于猫——以及从昆虫到大象的每一种动物。动物行为的方方面面——从呼吸到建造庇护所——在某种程度上都依赖并受限于物理学的可能性。
运动中的小动物物理学无论对多大尺寸的动物都一律适用。在最微小的生物结构尺度上,邻近分子之间的吸引力有助于壁虎和一些昆虫攀爬墙壁,甚至在天花板上行走。在一个稍微宏观的尺度上,生物纹理和结构能够为生物提供附着力。例如,在鸟类的羽毛中,微小的钩子和倒刺就像尼龙扣一样,将羽毛固定在恰当的位置,以增强飞行时的升力。生物纹理也有助于动物的运动。这些纹理通过提高动物皮肤与环境之间的摩擦来强化运动。
动物的疏水表面还有助于它们保持皮肤清洁。“这种自我清洁机制……对于帮助动物抵御皮肤寄生虫和其他感染等潜在的危险要素至关重要,”文章中这样解释道。并且,在某些特殊情况下,清除动物皮肤的脏东西,保持皮肤的清洁,能够保护动物皮肤的伪装特性。光与动物皮肤相互作用中蕴含的物理机理也与动物的许多行为息息相关。鸟类、蝴蝶和一些其他昆虫身上的鲜艳色彩和虹彩效应,取决于其皮肤、羽毛上微结构层的微观组合方式。
这些颜色有助于动物或昆虫的求偶,并且能够影响它们躲避捕食者的能力。
动物为了各种目的而改造环境的话,则需要运用到更高深的物理知识。从蚂蚁、黄蜂到獾和水獭,各种动物都学会了如何建造巢穴、庇护所和其他“建筑”,以抵御环境的威胁。这些动物的建筑结构不仅为动物提供了安全的生活环境,还展示了它们在自然界中的智慧和适应能力。
草原犬鼠会挖掘多个具有不同高度的洞穴,这种建筑结构能够使空气在洞穴中流通,并提供良好的通风条件。例如,鸟巢是一个将树枝、树叶、泥土和草组合而成的一个结构可靠、机械完整性强的建筑。鸟类显然知道,柔软的树枝或细枝比坚硬的木条更能提供稳定性;物理实验表明,受到弯曲后的柔软材料能够产生更大的摩擦力,有助于将鸟巢固定在一起。