Тертя людської шкіри виявилося ідеальним для клацань пальцями

Американські вчені теоретично і експериментально досліджували процес клацання людиною пальцями. Вони з'ясували, що тертя грає при цьому ключову роль. Виявилося також, що шкіра людських пальців володіє майже оптимальними характеристиками, щоб клацання було найбільш гучним. Дослідження опубліковано в.

Клацання пальцями відоме людству щонайменше з часів стародавньої Греції. Перше зображення клацання на кераміці датується 320 роком до н. е. Відтоді клацання стали невід'ємною частиною мистецтва і комунікації в безлічі культур. Наприклад, у Ліберії вони використовуються як вітання, будучи аналогом рукостискання. Було запропоновано використовувати клацання для відлуння сліпим людям, а також для біометричної автентифікації.

Клацання як механічний процес накопичення та вивільнення енергії для створення гучного звуку властиве не тільки людям, а й деяким видам термітів і мурахів. Хоча різні види використовують його для різних цілей, механізм, що лежить в його основі, можна охарактеризувати як систему з боягузячкою, що приводиться в дію пружиною. І якщо роль геометрії четвілки або пругості пружини вже висвітлювалася в літературі, то наскільки важливо при цьому тертя донедавна було невідоме.

Група американських фізиків і біоінженерів під керівництвом Саада Бхамла (Saad Bhamla) з Технологічного інституту Джорджії провела експериментальне і теоретичне дослідження, щоб розібратися з роллю тертя в Клацнути пальцями. Вони з'ясували, що поверхня людських пальців оптимальна для клацання: вона не дуже слизька, щоб встигала накопичитися енергія, і не надто шершава, щоб заважати руху пальця.

Щоб з'ясувати це, вчені наклеювали гуртки зі світловідбиваючого матеріалу в декількох місцях кисті рук трьох осіб, які відстежувалися за допомогою високошвидкісної камери. На середній і великий пальці, які брали участь у клацаннях, за допомогою рукавичок і наперстків вдягалися різні матеріали (латексна гума, нітрил, змащений нітрил), щоб досягти різного коефіцієнта тертя, які дослідники вимірювали окремо. Як мастило вони застосовували лубрикант на водній основі. Кожен випробуваний робив п'ять клацань для кожного типу поверхні. Щоб уникнути втоми кистей, учасники експерименту відпочивали по одній хвилині. Для кожного клацання вчені використовували нові рукавички для запобігання втомі матеріалу. У додатковій серії експериментів вони розташовували між пальцями датчики для вимірювання сили при клацаннях різної гучності.

Автори супроводили серію дослідів симуляцією на еквівалентній механічній моделі. В її рамках середній палець описаний як вантаж, який за допомогою пружини (пружні елементи передпліччя і пензля) пов'язаний з рушієм (м'язи). Великий же палець представлений у моделі у вигляді другого вантажу з півкруглим кінцем. Він відіграє роль четвілки, яка дозволяє збирати потенційну енергію в міру стиснення пружини за рахунок тертя між пальцями. При збільшенні пройденої середнім пальцем відстані тертя між ними зменшується за рахунок зменшення реакції опори, і вантаж продавлює муніципалітілку, вивільняючи потенційну енергію пружини. Нарешті, розігнавшись досить швидко, цей вантаж можна вважати таким, що відірвався від пружини. Його рух завершується ударом об долоню, супроводжуваним характерним звуком. Для кожного з етапів процесу вчені записали і чисельно вирішили відповідні системи рівнянь.

У результаті дослідники з'ясували, що тривалість клацання виявилася в середньому рівною 7,1 3,4 мілісекунди, що майже в 20 разів швидше, ніж моргання ока. При цьому пікове значення кутового прискорення, зафіксованого авторами, виявилося дорівнює 1,6 0,3 10⁶ градуса на квадратну секунду, що в два з половиною рази перевищує прискорення, з яким рухаються частини тіла пітчера в бейсболі - раніше ця величина вважалася рекордною для людського тіла.

Варіація коефіцієнта тертя за допомогою різних поверхонь разом з рішенням рівнянь підтвердила гіпотезу про те, що такі екстремальні значення виходять завдяки балансу між властивістю тертя накопичувати енергію, а також розсіювати її в тепло у фазі руху. Оптимальний коефіцієнт тертя для цього дорівнює приблизно 0,2 що відповідає сухим пальцям, а також сухому нітрилу. Автори зазначають, однак, що запропонована ними модель не включає в себе зміну геометрії пальців, що може позначитися на їх фрикційних властивостях.

Багато зі звичних нам рухів досі залишаються не понятими фізиками, наприклад, миття рук. Разом з тим, навіть саме тертя залишається об'єктом наукових дискусій із залученням мікроскопічних уявлень про речовину.