灭霸:我要毁灭这个宇宙,物理:不,你不行

万物杂志·2021-11-29
物理学拯救世界~

想创下一项非凡的运动记录吗?事实证明,不只是运动员,每个人都可以创下这项记录:只要打个响指就好了!

佐治亚理工学院的研究团队近期发表的研究表明,当我们打出一个完美的响指时,就会产生在目前人体上观察到的最大角加速度——160万°/s²。这个速度,可是要比职业棒球投手的手臂旋转加速度还要更快。

“在公元前300 年人类就开始打响指了,但是现在才开始对其进行科学研究。”| doi.org/10.1098/rsif.2021.0672

在创下世界记录之前,你可能需要先知道打响指的原理,这样才能研究出属于自己的“打响指秘笈”。

当我们打响指时,中指和大拇指会挤压在一起,两根手指朝相反的方向用力,然后中指将会击打在大拇指根部的肌肉上。但是,打响指不仅仅需要中指和拇指的参与,而“啪“的一声也并不是从两个手指上传出来的。

在打响指的手势中,小指、无名指会配合其他手指构成一个谐振空腔,而中指和拇指则形成了一个喇叭的形状。当中指击打肌肉后,空腔内的空气就会反复震荡,产生响声。

因此,想要打出一个清脆响亮的响指,首先要调节好手的姿势,保证手指之间形成空腔。而另外一个“秘笈“,就是要让拇指和中指之间达到一个近乎完美的摩擦力。

事情还要从一部电影说起。当佐治亚理工学院的两名学生去看了《复仇者联盟:无限战争》后,忽然对里面“灭霸打响指“的场面产生了好奇。在电影中,当灭霸戴着金属手套打了个响指后,世界上将会消失一半的生命。

但实际上,根据物理学的原理,灭霸并不能打出那个响指。

灭霸:我宝石都装了就和我讲这个?| Giphy

打响指是一种高速运动,其实并不只是人类掌握了这项高速运动的秘诀,很多生物体都将这种运动作为自己的生存技能,就比如当捕蝇草的叶片受到刺激时,会在大约100ms内快速闭合。因此,研究者们为这些运动开发了一个通用框架:闩锁介导的弹簧驱动系统(Latch-mediated springactuation,LaMSA)。

打响指前,拇指用力按压中指。中指就像是图中的弹簧,被按压时存储了很大的弹性势能,而在弹簧忽然松开时,根据动能定理,中指积累的弹性势能转化为动能,中指就会加速弹开。

打响指的“弹簧与闩锁“框架。中指就相当于弹簧。| doi.org/10.1098/rsif.2021.0672

当中指“弹簧”达到平衡时,它就会达到最大速度。研究者们使用4082fps的高速成像才捕捉到了打响指的运动过程,他们发现,打响指这项动作仅需要7ms就能完成。也就是说,它比眨一次眼的时间(150ms)还要再快20多倍。

而这一个响指,正是在7ms的时间内达到了7800°/s的最大旋转速度,以及160万°/s²的旋转加速度。

另外,在打响指的LaMSA系统中,指间的摩擦力对打响指的速度起到了决定性的作用。

研究者使用不同材料来控制指间的摩擦系数。为了模拟一双汗手,他们为手指带上了润滑的丁腈手套。其次,又用乳胶手套来模拟更大的摩擦系数的情况。当然,为了证明灭霸打不出响指,研究者还给手指戴上了金属指套。

戴上橡胶指套打响指。| Georgia Tech

数据发现,当汗手让摩擦力变小,就也随之减小了打响指前储存的能量。但令人意外的是,增大摩擦力的橡胶手套也大大降低了打响指的速度,这是由于大摩擦力会使得储存的能量耗散。

而金属指套则是让原本柔软的指间失去了能够压缩的性质,也就是让“弹簧”的弹力大大降低。

完美响指需要恰到好处的皮肤摩擦力和压缩性。| Wiki

在响指的LaMSA系统中,如果摩擦力过小,前期储存的能量更小;但如果过大,那又会阻碍能量释放。

总而言之,想要打出完美响指,手指间必须达到最佳状态的摩擦力和压缩性。在“恰到好处的”摩擦力区间中,打响指前会储存最大的力,打响指时又会减少能量耗散。

所以如果你调整好姿势仍然打不出响指的话,不妨擦擦手,让手指间保持干燥又光滑的完美状态。

打响指时,中指的运动轨迹。| doi.org/10.1098/rsif.2021.0672

不过,虽然这项研究的灵感来源于灭霸,却不止这么简单。这项研究中的模型不仅说明了摩擦力的重要作用,也让我们开始了解其他生物和我们自己。

许多昆虫和动物并没有足够的肌肉发力来支持他们的快速运动。但是他们却能够通过上面提到的“弹簧和闩锁“模型,先积累弹性势能,再将其转为动能。一种叫做卡米拉迷猛蚁(Mystrium camillae)的蚂蚁正是通过这样”打响指“的技巧,做出了比眨眼还要快5000倍的上颚运动,创造了动物界的世界纪录。

卡米拉迷猛蚁的上颚运动。虽然看着慢,但这可是在480000fps下拍摄的。事实上它要比眨眼快5000倍。| doi.org/10.6084/m9.figshare.7375436.v1

而这项研究也为未来的仿生手和假肢领域提供了重要的参考。

不过说起来,除了耍帅、伴奏和被灭霸用来毁灭世界外,打响指真的可以用来做更重要的事情。比如盲人可以通过打响指、弹舌的方式,在未知的环境中定位自己,识别周围的环境。

而在智能时代,研究者们还将打响指作为一种独特的生物识别特征,可以代替密码和指纹来解锁智能手机。不过前提是,你首先要学会打响指的技巧,打出一个会响的响指。

用响指解锁手机?有没有考虑过我们不会打响指星人的心情啊!| Pixabay

物理拯救世界!灭霸:我*&%……%**((&

封面来源:doi.org/10.1098/rsif.2021.0672

参考资料:https://docs.qq.com/doc/DU3VIbld3SmVVS0x4

本文来自微信公众号“把科学带回家”(ID:steamforkids),作者:Skin,36氪经授权发布。

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