如果牛顿只研究猫，那他永远也不会发现物体运动的定律。
假设你抱着一只猫，让它肚子朝上，然后把它从二楼的窗户扔下来，会发生什么呢？如果猫只是一个遵守牛顿运动定律的机械系统，那么它会仰面着地。（好吧，有一些技术细节——比如应该在真空中完成，不过现在忽略这一点~）然而实际情况是，大多数猫会在下落过程中扭转自己，最终以脚着地，避免受伤。
大多数人并不觉得意外，毕竟每个人都应该看过猫展示高超技能的视频。但一个多世纪以来，科学家们一直在探索猫做到这一点的物理学原理。诺贝尔奖得主Frank Wilczek在最近的一篇论文中指出，将猫作为机械系统进行分析的数学定理对于活猫来说是失败的。
作为一名理论物理学家，Wilczek指出，真实的猫并不是封闭的机械系统，能够“消耗储存的能量……实现机械运动”。虽然可以用物理学定理来分析和理解猫的行为，但这些定理并不能完全解释猫的行为，因为真实的猫比单纯的机械系统要复杂得多，它们的行为受到生物学和物理学的共同影响。
当然，物理定律也还是适用于猫——以及从昆虫到大象的所有种类的动物。生物学并没有避开物理学，而是接受了它。从微观尺度的摩擦到水和空气中的流体动力学，动物利用物理定律来奔跑、游泳或飞行。动物行为的方方面面，从呼吸到建造巢穴，都以某种方式依赖于物理学。
“生物体是受到物理定律在多个长度尺度和时间尺度上约束的系统，” Rieser在《凝聚态物理年度回顾》中写道。
尽管动物行为物理学领域仍处于起步阶段，但在解释个体行为以及这些行为是如何通过与其他个体和环境的相互作用而被塑造方面，已经取得了实质性进展。这些研究除了可以帮助我们了解动物是如何执行它们多种多样的技能，还可以协助科学家探索尚不了解的动物能力，从而获得新的物理学知识。
动物运动中的物理现象
物理学适用于各种空间尺度上动物行动的规律。在最小尺度端，原子间的吸引力使得壁虎和一些昆虫能够爬墙，甚至走在天花板上。在稍大的尺度上，生物体表面的纹理和结构提供了粘附力。例如，Rieser和他的同事们在报告提到，在鸟类羽毛中，有很多细小的钩子，就像魔术贴一样，在飞行时将羽毛固定在适当的位置以提高升力。
生物体表面的纹理或结构特征在动物的运动中起着关键作用，尤其对于蛇类来说。比如加州王蛇身上的鳞片具有可以快速向前滑动的纹理，但会增加摩擦以减缓向后或侧向的运动。最近的研究表明，一些侧向蜿蜒的蛇进化出了不同的纹理，以减少运动方向上的摩擦。
小型结构对于动物与水的互动也很重要。对于许多动物来说，微小的结构使得身体具有“超疏水性”——能够阻止水的渗透。Rieser及其同事指出：”在潮湿的气候下，水滴的脱落对动物来说至关重要，像飞鸟和昆虫，他们的重量和稳定性极为重要。”
防水表面也有助于动物保持皮肤的清洁。Rieser等人在论文中解释：“这种自我清洁机制…可以帮助动物抵御皮肤寄生虫和其他感染”。在某些情况下，从动物表面去除异物是必要的，因此这样可以保持动物用于伪装的表面特性。
实际上，光线如何与动物表面相互作用的物理学原理，还会对很多行为产生影响。比如，由于微结构层组合的方式不同，鸟类、蝴蝶和其他昆虫展现出了鲜艳的颜色和虹彩效果。这些颜色在求偶行为中起到重要作用，因为它们能够吸引异性。同时，这些颜色也可能影响动物躲避捕食者的能力，比如通过这些颜色使动物更难被发现或者更具威慑力。
在更大的尺度上，即使是最简单的动物运动，也仍然基于物理学原理。当动物运动时，它们体内的生物电和化学反应必须与环境中的物理特性（如流体的性质）相匹配，以确保运动的成功。例如，在水中游动的动物，它们的运动方式不仅取决于自身的身体结构，还受到水的物理特性的影响。
在水中游动的动物，会根据不同的因素（比如身体形状）来采用不同的移动策略。例如，身体细长的鱼基本上通过身体和尾巴的左右摆动来推进自己。其他形状的鱼则通过移动鳍来产生运动。
不过应用物理学原理和公式来描述和预测动物行为的方法在处理复杂情况时仍存在局限性，比如遇到湍流和漩涡等因素。这些复杂情况使得计算预期行为变得非常困难，甚至可能超出现有的计算能力。因此，科学家们转向通过实验来研究动物行为。其中的一个实验是以鳟鱼为例，水流经过圆筒时会产生一个漩涡，这个漩涡使得即使是死去的鳟鱼也能逆流而上。这种现象表明，动物在水中游动时可能会利用这些自然产生的漩涡来节省能量。这种能力很难用纯粹的物理方法来描述和预测，因此需要通过实验来研究。
动物对物理学原理的运用
进化为动物提供了可以适应现有环境的运动技能。但是动物为了更好的生存，还学会了如何利用物理学知识来改变和更好地适应环境。这种能力需要动物具备更复杂的物理知识，例如蚂蚁、黄蜂、獾和海狸等动物已经学会如何建造巢穴来保护自己避免受到环境的威胁。
鸟类在建巢时，会选择柔韧的树枝，因为相比较于刚硬的杆子，它们能提供更好的稳定性；物理实验表明，柔软的材料在弯曲时能产生有助于固定巢的摩擦力。Rieser和同事们认为，这些自然界中的组装知识和技巧可以激发新的设计思路，从而创造出具有类似特性的新型超材料。这些超材料可以应用到建筑、工程、航空航天等领域，以实现更好的稳定性、强度或其他所需的物理性能。
动物在为自己建立一个舒适的生活环境时，也必须遵守物理学的定理，将温度、湿度、通风控制在一个舒适的范围内。因为如果建造的洞穴或者巢穴没有足够的空气流通，动物就会窒息而死。
举个例子，很多人都知道，土拨鼠善于建造复杂的洞穴系统，这个系统中通常有很多出入口。物理分析表明，这些开口的高度不同，会造成气流的压差，从而实现有效的通风。这种设计有助于维持洞穴内部的温度稳定，减少湿度，并提供新鲜空气。实地研究表明，土拨鼠在建造洞穴时会自发地采用这种策略，这说明它们具有一定程度的认知能力和解决问题的能力，能够根据环境条件调整自己的行为。这种能力类似于猫在摔倒时本能地调整身体姿势以减少受伤的可能性。
毫无疑问，动物还有许多其他技巧，物理学家还无法完全解释，这就是动物行为物理学领域如此丰富的原因。
Rieser和其同事写道：“从物理学的角度进一步研究动物行为将有助于我们发现自然界已经弄清楚但我们尚未发现或完全理解的新物理定律。”
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