《力学园地》编辑部：

你们能从力学的角度讲讲蚂蚁从天上掉下来，为啥不会摔死呢？

正在高中读书的学生

2025年12月5日

蚂蚁从高处落下为什么不会摔死？

萤火 怡心

在我们的日常生活中，蚂蚁几乎无处不在，它们忙碌地穿行在草丛、路面和家中，不仅在寻找食物，也在繁衍生息。尽管乍看起来蚂蚁个头小巧而且脆弱，但它们似乎总能从高处轻松地摔落而不致死亡。很多人不禁会问：蚂蚁这么小，摔下来会不会受伤？为什么它们能够承受如此强烈的冲击而不死呢？

图1 从高空坠落的蚂蚁（图片来源：参考文献[1]）

从牛顿和苹果的故事说起

很多人都听说过，大科学家牛顿和苹果的故事。据说是1665年的秋天，他坐在自家院子里的苹果树下休息，忽然一个熟苹果掉落下来，正好砸到他的头。牛顿就想到一个问题：苹果为什么不向上升去而是向下落来呢？牛顿捡起苹果后，突然冒出一个奇怪的念头：是不是有一种看不见的力量在起作用，把苹果拉向地面呢？等他成人以后，牛顿终于解答了这个问题，并给出了著名的“万有引力定律”。这个定律指出：任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。因此，苹果（以及任何物体）向地面落下就是地球对它的引力导致的。

地球对物体的引力一般表示为G=GMm/r2，其中M和m分别是地球和物体的质量（单位取作“千克”），r是二者之间的距离（单位取作“米”），而系数G=6.67×10-11米3/(千克·秒2)是万有引力常数。地球对物体的引力也叫重力，它垂直向下，其大小就是物体的重量。人们还常常使用“重力加速度”（通常用g表示）这个概念，它表示物体在重力作用下加速度的大小。尽管这个值随地理位置的变化会有所改变，但一般情况下地球表面的重力加速度可以简化为一个常数g=9.80米/秒2。当然，随着物体离开地面的高度变化，重力加速度的数值也会改变，但在临近地面的大气层范围内，其变化也可以忽略不计，人们一般都采用地面值进行计算。

物体落到地面时的冲击力

高处下落的物体撞到地面上时，其损伤的程度和它受到的地面冲击力大小有关。力学知识告诉我们：（1）根据作用与反作用定理，物体坠落对地面的冲击力和地面对落地物体的冲击力大小相等、方向相反；（2）根据动量定理，冲击力与物体动量变化成正比，与接触时间t成反比。因而，冲击力的大小取决于物体的质量、落地的速度、地面的特性以及冲击的接触时间等因素。如果下落物体到达地面时的动量为mv，不考虑反弹（即落地撞击后速度变为零），并假设地面是刚性的（不考虑冲击时的变形或吸收能量），这样冲击力F≈mv/t。有人估计过，一个鸡蛋从8楼落下可以砸破头皮，从25楼落下可以致人死亡。

蚂蚁则具有较低的冲击力，因为蚂蚁的质量非常小，它所产生的冲击力非常有限。相反，大质量的物体在同等条件下落地时，冲击力则要大得多。当蚂蚁着地时，它们与地面的接触时间比大体积物体要长，因为它们的着陆面积相对较大，且下落速度较慢。较长的着陆时间意味着冲击能量能够得到有效分散和缓解，从而使蚂蚁所受的冲击力减小。

图2 几种不同动物的身体重量和终极速度比较（图片来源：参考文献[4]）

空气阻力与体型的关系

要理解蚂蚁为什么不会摔死，我们首先需要知道物体下落过程中所涉及的基本力学知识。如牛顿的万有引力定律所述，所有在地球上的物体都会受到重力Fg=mg的作用。物体自由下落时，在重力的作用下，会不断加速下落。一般而言，当两个物体在相同的高度、以相同的初始速度下落时，若不考虑空气阻力时，它们在空间各点处的速度应当相同。因此，无论是蚂蚁还是一个小钢珠，只要它们是从同一个高度处自由落体（这里就认为它们的初速度为零），到达地面时，二者的速度是相同的，均为v=（这里h为物体初始高度）。然而，如果考虑空气阻力时，情况则有所不同。

当物体在地表上的大气层中运动时，都会受到周围空气对它的阻力Fd。空气阻力的计算很复杂，不仅和运动速度有关，还和物体的形状、大小等密切相关。蚂蚁的体型非常小，但是表面积相对较大，空气阻力Fd的作用变得尤为显著。空气阻力的作用会大大减缓蚂蚁下落的速度。因此，蚂蚁落地时的速度会比其他物体（例如小钢珠）要低得多。

图3 蚂蚁在大气中下落时的受力分析（图片来源：参考文献[2]）

这种现象类似于我们看到的羽毛，它们在空中下落时会受到强烈的空气阻力，因此下落速度相对较慢，不会迅速坠向地面。对于蚂蚁来说，这种空气阻力减小了它们下落时的加速度，使得它们落地末速度比较小。再加上蚂蚁的体型小巧、轻盈，质量较小，从而落地时的动量mv就比较小，也就不会产生很大的冲击力。这里，需要注意的是，对于冲击力而言，落地物体的质量也是一个重要的因素。我们仍以蚂蚁和钢珠来比较，即使在不考虑空气阻力的情况下，二者落地的速度就是一样的，但蚂蚁的质量远小于钢珠，前者的冲击力就会大大地减小。

图4 羽毛从天而落的景象（图片来源：参考文献[3]）

蚂蚁的生理结构与弹性

当然，蚂蚁从高处坠落不会摔死，它的生理结构也起到了至关重要的作用。蚂蚁的身体非常坚韧，它们的外骨骼（硬壳）是由坚固的几丁质构成的，这种材料具有很好的抗压性和弹性。外骨骼的作用类似于一个保护外壳，能够有效地分散外部冲击的能量，从而降低身体受伤的风险。

图5蚂蚁的“内心独白”（图片来源：参考文献[6]）

这里需要说明的是，蚂蚁的外骨骼并不是完全刚性的，它在受到冲击时能够发生一定程度的弹性形变，从而像弹簧或缓冲垫一样吸收并分散冲击能量。这种结构避免了冲击力集中作用于身体某一局部，有效防止了外壳破裂或内部组织被“点冲击”所伤。此外，由于蚂蚁体内器官结构紧凑、尺寸微小，单位面积所受的冲击压强更小，因此不易造成严重的内脏损伤。

蚂蚁的活动和适应性

除了力学原理和生理结构，蚂蚁在日常生活中也展现出极强的适应性和灵活性。蚂蚁的运动能力非常强，它们能够快速地适应不同的环境变化。即便在下落过程中，蚂蚁也能通过灵活的腿部运动来调整自己的身体姿势，尽量控制下落的角度和着陆的方式。这种能力大大降低了它们着地时的冲击力和摔伤的风险。

蚂蚁在失去平衡时，能够迅速调整身体姿态以优化着陆效果。例如，许多蚂蚁会尝试将身体摆正，使六足朝下，并尽量伸展四肢。这样做的主要目的，并非直接“减小”冲击力的大小，而是为了增大身体与地面的接触面积，并将冲击力更均匀地分散到坚固的外骨骼和多个关节上，避免单条腿或身体侧面等脆弱部位承受全部冲击。同时，腿部关节的微调还能起到缓冲作用，进一步吸收能量。这种主动的姿态控制能力，是它们从意外坠落中幸存下来的重要行为适应。

图6 西瓜下落VS.蚂蚁下落（图片来源：参考文献[5]）

综上所述，蚂蚁从高处落下时不会摔死，背后有着多重因素的共同作用。首先，蚂蚁的体型小，体重轻，空气阻力较大，从而减少了它们下落的速度和冲击力。其次，蚂蚁的外骨骼具有很好的抗压性和弹性，能够有效吸收和分散冲击能量。最后，蚂蚁能够灵活地调整自己的身体姿势，通过四肢运动来减缓冲击，减少受伤的风险。这就是生物在进化过程中的生存适应性原则吧！

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/ZANkiQN6F-6XK3kUyOxgkg

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/aPgP6YBG3N6RSt2Ba1yfYw

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/nvd4f2305JO9iHTTqSyinQ

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/hlgfPMPqEN8BUjwZ3cxN7g

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/xxNy8v3-JgNBiz3M0mlNeQ

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/m_816LwP-Vj7-FMPXA7sFA