“拯救”宇宙的响指,灭霸根本打不出来

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· 2021.12.02

其实,我们比灭霸厉害多了!

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“拯救”宇宙的响指,灭霸根本打不出来

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文 | 学术头条,作者 | 吴婷婷,编辑 | 寇建超

“啪!”

在漫威电影《复仇者联盟》中,大反派 boss 灭霸打一个响指,就能让地球上一半的人类消失。

那只嵌满宝石的无限手套,充满了神秘力量。

然而,褪去电影的奇幻色彩,戴着金属手套的灭霸,真能打出响指吗?

近日,来自佐治亚理工学院的科研团队及其合作者给出了答案——金属材质的无限手套可能恰恰让灭霸打不了这个响指!

他们从这一问题中得到灵感,在认真研究打响指”背后的物理学机制后发现,打响指时人体会产生目前发现的最高加速度。

研究人员表示,这项研究成果可能对提高假肢仿真设计有所帮助,尤其是在模仿人类手的广泛功能方面,还可能提高各类机器人系统的操纵能力。

相关研究论文以“The ultrafast snap of a finger is mediated by skin friction”为题,已发表在科学期刊《英国皇家学会界面杂志》(Journal of The Royal Society Interface)上。

为什么这么说?

在本次研究中,佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授 Saad Bhamla 组建了一个专门研究“打响指”的小组。

在看到电影中灭霸戴着金属手套打出响指时,他们产生质疑:

在裸手打响指时,可能是皮肤摩擦起着重要作用,而由于金属手套的摩擦特性,灭霸可能根本打不了响指。

首先,他们进行实验,使用高速成像、自动图像处理和动态力传感器,分析了各种打响指的情况。受试者在分别戴上橡胶指套、金属指套、涂上润滑剂等情况下开始打响指,并测试出每种情况下的摩擦影响、旋转速度和旋转加速度。

图|手指被润滑的橡胶指套(红色)、丁腈橡胶(绿色)、乳胶橡胶(紫色)和金属指套(蓝色)覆盖时,摩擦力和速度对比情况(来源:论文)

 

结果显示,在戴着金属指套的情况下,所测得的摩擦力最小,最大旋转速度也没有裸手时的速度高。

也就是说,灭霸戴着他的无限手套根本打不出响指!

他们认为,潜在的原因可能在于,金属套管覆盖指尖后,打响指时手指的接触面积减少了,从而导致加速度降低。

“皮肤的压缩使系统具有更强的容错能力,”论文作者之一 Challita 说,“减少皮肤的可压缩性和摩擦力,会让你更难在手指中建立足够的力量来打响指。”

那么,另一个问题来了,是不是摩擦越大打响指就越容易呢?其实,答案是否定的。

从上图可以看出,增大指尖与橡胶覆盖物的摩擦,也会降低响指速度和旋转加速度。

因此,研究人员得出结论,摩擦力也存在一个“适宜范围”——摩擦太小,没有足够的能量来为打响指提供动力;而过多的摩擦会导致能量耗散,因为手指需要更长的时间才能滑过彼此,将储存的能量以热量的形式浪费掉。

其实,我们比灭霸厉害多了

不仅如此,科学家们还仔细研究了人类在不戴任何手套时打出的普通响指,并建立了一个通用框架来解释其背后的机制。

在实验中,研究人员测量到,裸手打响指的最大旋转速度可以达到每秒 7800°,旋转加速度则高达每二次方秒 1600000°。尽管这一旋转速度值还未达到目前在人类身上观察到的最快旋转运动的测量值,但其瞬间加速度却是迄今为止测量到的最快的人体角加速度,几乎是职业棒球投手手臂旋转加速度的三倍。

“第一次看到这个数据时,我简直从椅子上跳了起来,”Bhamla 说,“手指弹响仅需 7 毫秒,这比眨眼(需要 150 多毫秒)还要快 20 多倍。”

事实上,早在公元前 300 年左右,古希腊艺术中就已经描绘了人类打响指的动作,在此之前,人类很可能已经打响指几十万年了。

图|(a)公元前 320 年左右的一件陶器,描绘了打响指的画面;(b)从侧面看,打响指时在不同时间点的运动合成图像;(c)在手腕、指关节和指尖三处进行测量(d)响指运动图示。

研究人员认为,本次的结果可能为未来的研究提供了多种机会,包括了解人类为什么天生会打响指。

只有人类才会打响指吗?

打响指的原理,在声学中其实叫空腔谐振。

打响指时,大拇指与中指相互挤压,产生较大的摩擦。为了克服这个摩擦,指部肌肉需要提供很大的力,在两指错开时,中指获得了较大的动量,朝大拇指根部击打。此时,中指、无名指、大拇指根部三个部分即构成了一个空腔。中指快速压迫空腔,使空腔内空气振动,产生清脆的“啪”一声。

那么问题来了,只有人类才能打出响指吗?

实际上,尽管目前只发现人类会打响指,但拥有与人类类似手部结构的动物,理论上都有希望学会打响指。黑猩猩、猕猴等动物就已经会做点赞、“666”之类的动作。

还有一种动物,明明不属于灵长类动物,但它们也可能拥有打响指的能力——我们的国宝大熊猫。

大熊猫一共有 6 个指头,用于握住竹子的“拇指”没有指关节,只有一块骨头,生长在真正的拇指外侧,因此被称为伪拇指。

这块骨头实际上是一节腕骨特化而来,但却能像人或猴子一样灵活方便地抓取东西。因此,大熊猫也可能以“伪拇指”代替我们人类的拇指,打出一个漂亮的响指哦。

不过,大家也不必过于关注哪些动物能打响指,毕竟,还是先搞清楚自己会不会打响指更重要。

参考链接:

  • https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2021.0672ch
  • https://www.eurekalert.org/news-releases/934621
  • https://www.youtube.com/watch?v=ycfLurEqmj4&ab_channel=GeorgiaTe
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