Mèo rơi luôn xoay được người để tiếp đất bằng chân nhờ một phản xạ gọi là phản xạ lật người: nó gập mình làm hai nửa, xoay nửa trước và nửa sau lần lượt với mô men quán tính khác nhau, nên tổng mô men động lượng vẫn bằng không mà cơ thể vẫn quay được. Không cần đẩy vào thứ gì, con mèo tự lật trong không trung chỉ bằng cách thay đổi hình dạng cơ thể. Nhưng đừng thử thả mèo: rơi từ cao, mèo vẫn có thể bị thương nặng.
Một nghịch lý vật lý
Thoạt nhìn, mèo lật người giữa không trung có vẻ vi phạm định luật bảo toàn mô men động lượng. Một con mèo được thả cẩn thận, lưng hướng xuống, không xoay chút nào, có mô men động lượng bằng không. Không có gì bên ngoài tác dụng mô men lực lên nó (bỏ qua sức cản không khí). Vậy làm sao nó quay được 180 độ để chân hướng xuống?
Câu trả lời: mô men động lượng bằng không không có nghĩa là không thể đổi hướng. Một vật cứng thì không thể. Nhưng mèo không phải vật cứng. Nó có thể thay đổi hình dạng, và chính điều đó cho phép nó đổi hướng mà tổng mô men động lượng vẫn bằng không.
Những bức ảnh của Marey năm 1894
Năm 1894, nhà sinh lý học Pháp Étienne-Jules Marey dùng máy chụp ảnh liên tiếp do ông tự chế, chụp khoảng 12 khung hình mỗi giây, ghi lại một con mèo được thả rơi lưng xuống. Chuỗi ảnh đăng trên tạp chí Nature và trình bày tại Viện Hàn lâm Khoa học Pháp gây tranh cãi lớn: một số nhà khoa học cho rằng con mèo hẳn đã "đẩy" vào tay người thả để lấy đà quay. Nhưng ảnh cho thấy rõ con mèo bắt đầu rơi mà không quay, rồi tự lật giữa chừng.
Từ đó, bài toán "mèo rơi" trở thành một câu đố kinh điển, được các nhà vật lý và toán học phân tích suốt hơn một thế kỷ. Nhà vật lý Gregory Gbur đã viết hẳn một cuốn sách về lịch sử bài toán này, Falling Felines and Fundamental Physics (2019).
Mèo lật người thế nào
Mô hình được chấp nhận rộng rãi (mô hình "gập và xoắn", được T. R. Kane và M. P. Scher đưa ra năm 1969) chia con mèo làm hai nửa — nửa trước và nửa sau — nối với nhau ở eo:
- Gập lưng: con mèo cong người ở eo, hai nửa không còn thẳng hàng.
- Xoắn hai nửa ngược chiều: nửa trước xoay một hướng, nửa sau xoay hướng ngược lại. Vì hai nửa nằm trên hai trục khác nhau (do lưng đang gập), chuyển động xoay của chúng không triệt tiêu nhau hoàn toàn về mặt hướng, cho phép cả cơ thể xoay một góc tổng thể.
- Co duỗi chân: nhiều quan sát cho thấy mèo thu hai chân trước lại gần đầu (giảm mô men quán tính nửa trước) và duỗi hai chân sau ra (tăng mô men quán tính nửa sau). Nửa trước xoay được nhiều trong khi nửa sau chỉ xoay ngược một chút. Rồi đảo lại: duỗi chân trước, thu chân sau, xoay nửa sau theo.
- Duỗi thẳng và chuẩn bị tiếp đất: khi chân đã hướng xuống, mèo duỗi chân ra, cong lưng để giảm chấn.
Toàn bộ quá trình diễn ra trong khoảng một phần ba giây. Theo các quan sát, mèo cần rơi được vài chục centimét mới đủ thời gian lật người hoàn toàn.
Cái đuôi có cần không
Người ta từng nghĩ mèo xoay đuôi như cánh quạt để lật người. Đuôi có thể giúp một phần, nhưng không bắt buộc: mèo cụt đuôi (như giống mèo Manx) vẫn lật người tốt. Phần chính là cơ thể linh hoạt với cột sống rất dẻo và không có xương đòn cố định chắc như người.
Các con vật khác và con người
- Thỏ, sóc, chuột cũng có phản xạ lật người, dù không thuần thục bằng mèo.
- Thằn lằn dùng đuôi để xoay người khi nhảy hụt — một nghiên cứu năm 2012 của nhóm Robert Full (Đại học California, Berkeley) quay chậm thằn lằn agama nhảy và thấy đuôi đóng vai trò quan trọng.
- Phi hành gia trên trạm vũ trụ học cách tự xoay người trong không trung mà không bám vào đâu bằng chuỗi động tác tương tự: gập người, vung tay chân theo vòng. Các nhà nghiên cứu NASA từ thập niên 1960 đã nghiên cứu "kỹ thuật mèo" cho phi hành gia.
- Vận động viên nhảy cầu, thể dục dụng cụ dùng các động tác vặn mình giữa không trung để xoay quanh trục dọc cơ thể khi đã rời ván.
Mèo rơi từ nhà cao: đừng chủ quan
Năm 1987, hai bác sĩ thú y Wayne Whitney và Cheryl Mehlhaff (Trung tâm Y khoa Động vật ở New York) công bố nghiên cứu về 132 con mèo được đưa tới phòng khám sau khi rơi từ toà nhà cao tầng, từ tầng 2 tới tầng 32. Khoảng 90% số mèo được điều trị đã sống sót. Một chi tiết gây chú ý: số chấn thương có vẻ tăng theo độ cao tới khoảng tầng 7, rồi không tăng thêm, thậm chí giảm ở độ cao lớn hơn. Giả thuyết được đưa ra là khi rơi đủ lâu, mèo đạt vận tốc giới hạn (khoảng 100 km/h), thả lỏng người và dang chân như chiếc dù, rải lực khi tiếp đất.
Nhưng các nhà khoa học cũng cảnh báo về sai lệch chọn mẫu: mèo rơi từ rất cao mà chết tại chỗ thường không được đưa tới phòng khám, nên không có trong số liệu. Kết luận "mèo rơi cao càng an toàn" là sai.
Các bác sĩ thú y gọi các chấn thương này là "hội chứng nhà cao tầng": gãy xương hàm, chấn thương ngực, gãy chân. Ở các chung cư cao tầng, nên lắp lưới chắn cửa sổ và ban công nếu nuôi mèo.
Góc nhìn hôm nay: hiểu, quan sát, nhưng không thử
- Không bao giờ thả mèo để "thử", kể cả ở độ cao thấp. Mèo có thể bị căng thẳng, bị thương, và mất lòng tin với người.
- Xem video quay chậm từ các nguồn nghiên cứu và phim tài liệu khoa học để thấy rõ các pha gập và xoắn.
- Tự thử nguyên lý trên ghế xoay: ngồi trên ghế xoay êm, nhấc chân lên, vung tay theo vòng tròn trên đầu theo một chiều — cơ thể và ghế xoay dần theo chiều ngược lại. Không cần đẩy vào đâu, bạn vẫn đổi được hướng. Đó là nguyên lý của mèo.
- Phòng ngã cho mèo nhà: lắp lưới ban công, cửa sổ; không để mèo ngồi trên lan can.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao mèo rơi luôn tiếp đất bằng chân?
Nhờ phản xạ lật người: mèo gập mình làm hai nửa, xoay nửa trước và nửa sau ngược chiều nhau, kết hợp co duỗi chân để thay đổi mô men quán tính. Nhờ đó cơ thể xoay được mà tổng mô men động lượng vẫn bằng không.
Mèo lật người có vi phạm định luật vật lý không?
Không. Mô men động lượng của mèo vẫn bằng không suốt quá trình rơi. Vì mèo không phải vật cứng, nó có thể thay đổi hình dạng để đổi hướng cơ thể mà không cần mô men lực từ bên ngoài.
Mèo cần rơi bao cao mới lật được người?
Mèo cần khoảng một phần ba giây để lật người, tương ứng với rơi vài chục centimét. Rơi từ độ cao quá thấp, mèo có thể không kịp lật hoàn toàn.
Mèo rơi từ nhà cao có an toàn không?
Không. Nghiên cứu năm 1987 trên 132 con mèo cho thấy nhiều con sống sót nhưng bị gãy xương, chấn thương ngực, hàm. Số liệu còn thiếu những con chết tại chỗ. Nuôi mèo ở chung cư nên lắp lưới chắn cửa sổ và ban công.
Mèo có dùng đuôi để lật người không?
Đuôi có thể giúp một phần nhưng không bắt buộc. Mèo cụt đuôi như giống Manx vẫn lật người tốt. Phần chính là cột sống rất dẻo cho phép mèo gập và xoắn hai nửa cơ thể.