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原来,灭霸打不出那个响指

admin 2021年11月21日 快讯 23 0

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本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Måka,题图来自:《复仇者联盟:无限战争》


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在漫威电影《复仇者联盟:无限战争》中,灭霸收集到了6块无限宝石,将它们嵌在金属的无限手套中。然后,他打了一个响指,给全宇宙带来了毁灭性的打击。


但……等等!


现在佐治亚理工学院的一组研究人员告诉我们,金属的无限手套可能恰恰让灭霸打不了这个响指。


早在公元前300年左右,古希腊的艺术中已经描绘了打响指的动作。但直到现在,我们才真正详细研究了打响指的物理过程,并确定摩擦是如何在这一过程中起到关键作用的。


研究发现,一次响指需要中等程度的、不太高也不太低的摩擦力,它会产生目前在人体上观察到的最大的角加速度,甚至比职业棒球投手手臂旋转的加速度还要快。研究结果已于近日发表在《英国皇家学会学报:界面》上。


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在更早期的研究中,研究团队开发了一个通用框架,用于解释在生物体中观察到的超强和超高速的运动。


直到几年前,他们在电影中看到了灭霸的响指,随即产生了一种疑问:戴着无限手套有可能打响指吗?


 电影中灭霸的响指。|图片来源:《复仇者联盟3》剧照 / 漫威影业


他们认为,那个通用框架似乎可以很自然地适用于打响指。它假定生物依靠一种类似“弹簧和门闩”机制储存能量,然后迅速释放能量。但同时,与其他“弹簧和门闩”系统相比,在打响指时,表面摩擦力可能发挥了更重要的作用。而由于金属手套的摩擦特性,他们觉得灭霸是不可能做到的。


打响指的过程只需要7毫秒,这比真正的“一眨眼的功夫”还要快20倍多。团队利用高速成像、自动图像处理和动态力传感器等设备,详细分析了各种打响指的动作。


在一个裸指的普通响指动作中,研究人员测量到了7800°/s的最大旋转速度,以及160万°/s²的旋转加速度。


这一旋转速度的值小于在人类身上观察到的最快旋转运动的测量值,那种最快的旋转运动是职业棒球运动员在投球过程中由手臂产生的。


然而,这种瞬间加速度却是迄今为止测量到的最快的人体角加速度,它几乎是职业棒球投手手臂旋转加速度的三倍。


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在实验中,团队还用不同的材料覆盖住手指,探索摩擦的作用,包括用金属的套环来模拟戴着金属手套时打响指的效果。


 图片来源:Lindsey Leigh for Georgia Tech


当受试者的指尖被金属套环覆盖时,最大的旋转速度会急剧下降,这也证实了研究人员的直觉。换句话说,因为金属的无限手套,灭霸不可能打出响指。但令人惊讶的是,用橡胶盖住指尖,增加摩擦力,同样会降低速度和加速度。


橡胶指套的实验。|图片来源:Georgia Tech


除了实验,科学家同样利用数学模型来解释这些观察结果。一个包括弹簧和门闩的模型被加入了软摩擦接触,这不仅可以重现响指的定性特征,同时强化了摩擦在实现超快速运动中所起的核心作用。


团队认为,金属套环带来的速度降低是因为手指之间存在的接触面积的减少。人体皮肤的压缩使系统更具容错性。而减少皮肤的压缩性和摩擦性,会让手指更难产生足够的力,从而打出真正的响指。


同时,研究人员得出结论:摩擦力必须处于一个恰到好处的区间里,摩擦力太小,储存的能量不够,就无法为打响指提供动力,而摩擦力太大则会导致能量耗散,因为手指滑过彼此的时间更长了,储存的能量会浪费变成热量。


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科学家认为,这项研究是一个很好的例子,说明我们可以通过巧妙的实验和富有洞察力的计算建模来学习各种现象。


通过证明手指之间不同程度的摩擦会改变打响指的弹性性能,这项研究结果或许有一天会为模仿人类手的各种功能的假肢设计提供参考。


同时,它也可以帮助我们了解自然中的其他动物,比如,白蚁和蚂蚁也可以利用颚做出类似的动作。这个原理或许也能应用到仿生工程系统中。


总之,不用超级英雄,物理学已经拯救了世界!


#参考来源:

http://research.gatech.edu/oh-snap-record-breaking-motion-our-fingertips

https://www.sciencenews.org/article/finger-snap-physics-new-high-speed-video-thanos

https://royalsocietypublishing.org/rsif/doi/10.1098/rsif.2021.0672


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Måka

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