Трение человеческой кожи оказалось идеальным для щелчков пальцами

Raghav Acharya et al. / Journal of the Royal Society Interface, 2021

Американские ученые теоретически и экспериментально исследовали процесс щелкания человеком пальцами. Они выяснили, что трение играет при этом ключевую роль. Оказалось также, что кожа человеческих пальцев обладает почти оптимальными характеристиками, чтобы щелчок был наиболее громким. Исследование опубликовано в Journal of the Royal Society Interface.

Щелчки пальцами известны человечеству как минимум со времен Древней Греции. Первое изображение щелчка, нанесенное на керамику, датируется 320 годом до н.э. С тех пор щелчки стали неотъемлемой частью искусства и коммуникации во множестве культур. Например, в Либерии они используются в качестве приветствия, будучи аналогом рукопожатия. Было предложено использовать щелки для эхо-локации слепым людям, а также для биометрической аутентификации.

Щелчок как механический процесс накопления и высвобождения энергии для создания громкого звука свойственен не только людям, но и некоторым видам термитов и муравьев. Хотя разные виды используют его для разных целей, механизм, лежащий в его основе, можно охарактеризовать как систему с трущейся защелкой, приводимую в действие пружиной. И если роль геометрии защелки или упругости пружины уже освещалась в литературе, то насколько важно при этом трение до недавнего времени было неизвестно.

Группа американских физиков и биоинженеров под руководством Саада Бхамла (Saad Bhamla) из Технологического института Джорджии провела экспериментальное и теоретическое исследование, чтобы разобраться с ролью трения в щелчке пальцами. Они выяснили, что поверхность человеческих пальцев оптимальна для щелчка: она не слишком скользкая, чтобы успевала накопиться энергия, и не слишком шершавая, чтобы мешать движению пальца.

Чтобы выяснить это, ученые наклеивали кружки из светоотражающего материала в нескольких местах кисти рук трех человек, которые отслеживались с помощью высокоскоростной камеры. На средний и большой пальцы, участвовавшие в щелчках, с помощью перчаток и наперстков надевались различные материалы (латексная резина, нитрил, смазанный нитрил), чтобы достичь различного коэффициента трения, которые исследователи измеряли отдельно. В качестве смазки они применяли лубрикант на водной основе. Каждый испытуемый делал пять щелчков для каждого типа поверхности. Чтобы избежать усталости кистей, участники эксперимента отдыхали по одной минуте. Для каждого щелчка ученые использовали новые перчатки для предотвращения усталости материала. В дополнительной серии экспериментов они располагали между пальцами датчики для измерения силы при щелчках различной громкости.

Авторы сопроводили серию опытов симуляцией на эквивалентной механической модели. В ее рамках средний палец описан как груз, который с помощью пружины (упругие элементы предплечья и кисти) связан с движителем (мышцы). Большой же палец представлен в модели в виде второго груза с полукруглым концом. Он играет роль защелки, которая позволяет копить потенциальную энергию по мере сжатия пружины за счет трения между пальцами. При увеличении пройденного средним пальцем расстояния трение между ними уменьшается за счет уменьшение реакции опоры, и груз продавливает защелку, высвобождая потенциальную энергию пружины. Наконец, разогнавшись достаточно быстро, этот груз можно считать оторвавшимся от пружины. Его движение завершается ударом о ладонь, сопровождаемым характерным звуком. Для каждого их этапов процесса ученые записали и численно решили соответствующие системы уравнений.

В результаты исследователи выяснили, что длительность щелка оказалась в среднем равна 7,1 ± 3,4 миллисекунды, что почти в 20 раз быстрее, чем моргание глаза. При этом пиковое значение углового ускорения, зафиксированного авторами, оказалось равно 1,6 ± 0,3 × 106 градуса на квадратную секунду, что в два с половиной раза превышает ускорение, с которым движутся части тела питчера в бейсболе — ранее эта величина считалась рекордной для человеческого тела.

Вариация коэффициента трения с помощью различных поверхностей вместе с решением уравнений подтвердила гипотезу о том, что такие экстремальные значения получаются благодаря балансу между свойством трения накапливать энергию, а также рассеивать ее в тепло в фазе движения. Оптимальный коэффициент трения для этого равен примерно 0,2 что соответствует сухим пальцам, а также сухому нитрилу. Авторы отмечают, однако, что предложенная ими модель не включает в себя изменение геометрии пальцев, что может сказаться на их фрикционных свойствах.

Многие из привычных нам телодвижений до сих пор остаются не понятыми физиками, например, мытье рук. Вместе с тем, даже само трение остается объектом научных дискуссий с привлечением микроскопических представлений о веществе.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.