紅鶴為什麼能單腳站著睡覺？
― 不是靠肌肉撐著，而是靠體重讓腳「卡住」
人用單腳站立時，腳踝會一直微微晃動，肌肉片刻不得休息。但紅鶴卻能單腳閉上眼睛睡著。秘密就在於牠們的身體構造，能讓體重剛好落在腳的正上方。
動物園的紅鶴池。一群粉紅色的鳥整齊地單腳站立。脖子捲到背上，閉著眼睛，簡直像擺飾一樣靜止不動。
自己試著單腳站站看。一開始還好，但一閉上眼睛就突然搖搖晃晃。可以感覺到腳底和腳踝正不斷細微地重新踏穩。
光靠那細細的一條腿，紅鶴為什麼能睡著也不倒下？難道單腳反而比雙腳更輕鬆？
目前認為有兩個原因
單腳站立時，身體重量的中心（重心）正好落在腳的正上方。這樣一來，腳的關節就被體重本身壓住，不會彎折，直接「卡住」。幾乎不需要用到肌肉。
紅鶴的腿沒有羽毛，泡在冷水裡會讓體熱流失。只要把一隻腳收進羽毛裡，散熱的出口就少了一半。
第一點說明「為什麼站著很輕鬆」，第二點說明「為什麼想維持單腳」。接下來依序來看。
體重落在正上方，腳就會自然卡住
物體會不會倒下，取決於重心和支撐點之間的位置關係。只要重心落在支撐點的正上方，重量就只會往正下方壓，不會產生讓身體傾倒旋轉的力。
但重心一旦偏離，情況就不同了。偏離多少，就會產生多少想讓身體旋轉倒下的力。這個「旋轉力」，大小等於重量乘上偏離的距離。試試看用圖1的滑桿改變偏移量。
2017年，美國的研究者用死去的紅鶴遺體做了驗證。即使肌肉完全不會出力，只要把牠輕輕擺成單腳的姿勢，據稱就能這樣站立不倒。腿的關節會隨著體重施加而被壓向固定位置、卡住不動，也就是成了一根「支撐桿」。
也有研究把活著的紅鶴放上測量搖晃程度的平台做實驗。據報告，單腳睡覺時的身體晃動，反而比清醒時更小。這和人類正好相反——放鬆力氣，反而更穩定。
人類單腳站立時可不是這樣。人的腳上頂著一具又重又高的身體。只要稍微傾斜，重心就會偏離腳的正上方，腳踝和臀部側邊的肌肉就得不斷重新調整。高齡者體能測驗中有「閉眼單腳站立」這一項，正是因為這種調整能力是不易跌倒的指標。
紅鶴腿中段向後彎的那個關節，不是膝蓋，而是腳跟（腳踝）。真正的膝蓋，其實藏在身體的羽毛裡。也就是說，我們以為是「腿」的那條細長部分，大部分其實相當於人類的腳背骨頭。紅鶴其實一直都是用腳尖站立的。
靠一條腿的分量，守住體熱
紅鶴生活在鹽湖或潮間帶等開闊的水邊環境。羽毛能很好地包覆身體，但長長的腿卻是裸露在外的。接觸冷水或冷風的腿，就成了體熱大量流失的出口。
只要把一隻腳收進羽毛裡，裸露在外的腿就只剩一條。動物園的觀察報告指出，氣溫越低，單腳站立的鳥所占比例就越高。而且站在水中時，單腳站立的比例也較高。
鳥類的腿部還有一種機制，能用流入的溫熱血液，重新加熱流回的冷血液。但即便如此，減少散熱出口本身依然是最確實的辦法。正因為身體構造讓單腳站立很輕鬆,牠們才能靠這個姿勢持續好幾個小時來保住體熱，目前是這麼認為的。
總結
紅鶴的單腳站立，並不是靠肌肉硬撐的「忍耐」。只要讓重心落在腳的正上方，關節就會被體重壓住而卡住不動，是幾乎不花力氣的姿勢。而且收起來的那一條腿，據推測能減少流向冷水的熱量損失。
不會倒下，不是因為強壯，而是因為站得端正。
紅鶴把體重本身化為支撐，安然入睡。
關於鳥腿在冷水中不會凍傷的另一個機制，請參考鴨子站在結冰的池面上，腳為什�麼不會凍傷？。至於身體在空中如何轉向，也歡迎參考貓咪為什麼總能用腳著地？。
- 在牆邊單腳站立。睜著眼睛，數數看能站多久。
- 接著，閉上眼睛做同樣的事。大多數人會發現時間一下子變短了許多。試著感受一下腳踝正在不斷細微地重新踏穩。
- 最後，試著把掃帚立在手掌上。只要掃帚保持在正上方就很平穩，只要稍微傾斜，就得立刻大幅移動手才能撐住。
為了搖晃時能馬上扶住東西，請一定在牆邊或桌邊進行。紅鶴則是靠腿部構造，自然而然維持住第三項裡那種「站在正上方」的狀態。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的對應從國中自然科到大學專業科目，這裡會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中自然科會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」「生物」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（生物力學・動物生理學）的內容
- 研究即使在大學也還不算「定論」，是研究者目前正在調查中的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 重心：可以視為整個身體重量集中於其中一點的位置。只要重心的正下方落在支撐範圍內，物體就不會倒下。
- 支撐底面積：腳底等支撐身體的那塊面積範圍。單腳站立時，這個範圍就會縮小到只剩一隻腳的大小。
- 力矩：想讓物體旋轉的力的強度。以力的大小乘上到旋轉中心的距離來表示。
國中高中用公式驗證：重心偏移1公分，會產生多大的「旋轉力」？
比較體重3公斤的紅鶴，與體重60公斤的人，當重心稍微偏離腳正上方時，「想讓身體傾倒的力」有何差異。
| 以符號表示 | M ＝ m × g × d |
| 以文字表示 | 想讓身體傾倒的旋轉力 ＝ 身體質量 × 重力加速度 × 重心偏離腳正上方的距離 |
| 公式的出處 | 力矩的定義（力 × 旋轉中心到力作用線的距離）。身體的重量 m × g 向下作用在重心上，並以腳為旋轉中心產生旋轉力 |
| 符號 m：紅鶴的體重（成鳥約2〜4公斤左右） | 以3 kg計算 |
| 符號 g：重力加速度（單位為 m/s²） | 9.8 |
| 符號 d：重心偏移量（單位為 m） | 1 cm ＝ 0.01 m |
| 用來比較的人的體重 | 60 kg |
| 紅鶴的體重（單位為 N） | 3 × 9.8 ＝ 29.4 |
| 偏移1cm時的旋轉力 M（單位為 N·m） | 29.4 × 0.01 ＝ 0.294 |
| 偏移5cm時的旋轉力 M | 29.4 × 0.05 ＝ 1.47 |
| 人的體重（單位為 N） | 60 × 9.8 ＝ 588 |
| 人偏移1cm時的旋轉力 M | 588 × 0.01 ＝ 5.88 |
| 同樣偏移1cm，人是紅鶴的幾倍 | 5.88 ÷ 0.294 ＝ 20 |
紅鶴偏移1cm時的旋轉力0.29 N·m，大約相當於在手上10cm外撐著一顆蘋果（約300g）的程度。偏移越接近0，這個數值也會越接近0。而人類即使同樣只偏移1cm，承受的旋轉力卻是紅鶴的20倍，而且得靠肌肉持續抵消。圖1的滑桿，也是用這個公式計算出來的。
高中高中＋平衡與穩定平衡
高中物理基礎會用「力的平衡」與「力矩的平衡」這兩個條件來思考物體靜止不動的原因。只要重心落在支撐點正上方，重量產生的力矩就是0，兩個條件都能滿足。
高中＋不過，光是停在正上方，也可能只是稍微晃一下就會倒的「不穩定平衡」。手掌上的掃帚就是這種例子。而紅鶴的腿，據認為一旦偏移，關節會被壓向固定位置、產生讓它恢復原狀的力，因此即使稍微晃動也能自動回正，接近「穩定平衡」的狀態。
大學被動式支撐，以及熱量的進出
生物力學中，不靠肌肉出力，只憑骨骼、關節、韌帶的形狀和體重就能維持姿勢，這種現象稱為「被動穩定性」。據說馬能站著睡覺，也是靠腿部一種稱為「支撐裝置」的肌腱與韌帶組合。在紅鶴的研究中，據報告遺體標本只有在單腳姿勢下才能被動站立，雙腳姿勢則無法站立，因此有人提出了「靠重力固定關節」這樣的機制。至於熱量方面，據認為是靠腿部動脈與靜脈之間的「逆流熱交換」，再加上羽毛的隔熱效果，共同減少熱量損失。
📖 公式推導與更深入的內容：日文維基百科「力矩」 ／ Chang與Ting的論文（英文，2017年）
研究目前還不清楚的事
- 真正的主要目的是哪一個？ 「站著省力」和「保住體熱」這兩個原因，究竟哪一個才是單腳站立的起因，目前還沒有定論。多數看法認為兩者是同時成立的。
- 固定關節的是哪個部件？ 已經證實關節會因體重而被固定，但具體是哪條韌帶或哪種骨骼形狀在負責這件事，目前還不清楚細節。
- 與大腦休息方式的關係。 有些鳥類會一次只讓大腦的一側睡覺。單腳站立以及換腳的時機，是否與大腦的休息方式有關，目前還沒有得到證實。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的解釋」。即使是動物園裡常見的景象，仍留有尚未解開的問題。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科一年級「力的作用」、槓桿平衡 | 重心與支點、圖1 |
| 高中 | 物理基礎「剛體的平衡」、生物「動物的身體構造」 | 用公式驗證 |
| 高中＋ | 穩定平衡與不穩定平衡 | 掃帚與紅鶴的差異 |
| 大學 | 生物力學、動物生理學（體溫調節） | 被動穩定性、逆流熱交換 |
| 研究 | 比較生物力學、行為生態學 | 單腳站立的目的，以及固定關節的部件 |
| ― | 與生活的連結 | 單腳站立測驗與防跌倒、姿勢與不易疲勞 |
- Chang, Y.-H. & Ting, L. H. (2017) Mechanical evidence that flamingos can support their body on one leg with little active muscular force. Biology Letters 13
- Anderson, M. J. & Williams, S. A. (2010) Why do flamingos stand on one leg? Zoo Biology 29
- 日文維基百科「フラミンゴ（紅鶴）」
- 日文維基百科「力のモーメント（力矩）」
- 日本文部科學省「新體力測驗實施要項（65〜79歲對象）」閉眼單腳站立項目
※本文為大眾科普解說。文中所列數值，為幫助理解原理所用的概略估算值。嘗試單腳站立時，請確認周圍環境安全，以免跌倒。