Трение человеческой кожи оказалось идеальным для щелчков пальцами
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 щелчки 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 уменьшения 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 из этапов процесса ученые записали и численно решили соответствующие системы уравнений.
В результате 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
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.