Сверхбыстрый щелчок пальца опосредован трением кожи

Во время щелчка палец движется в 30 раз быстрее моргания глаза

Рагхав Ачарья (Raghav Acharya), Элио Дж. Чаллита (Elio J. Challita), Марк Илтон (Mark Ilton), М. Саад Бхамла (M. Saad Bhamla), Технологический институт Джорджии (Georgia Institute of Technology), США, напечатали работу "Сверхбыстрый щелчок пальца опосредован трением кожи" (The ultrafast snap of a finger is mediated by skin friction), The Royal Society Interface, 18 (184), 17 ноября 2021.

Щелчок пальцем использовался в человеческих культурах как форма общения на протяжении тысячелетий. Однако систематический анализ динамики этого быстрого движения до сих пор не проводился. Используя высокоскоростную визуализацию и датчики силы, авторы анализируют динамику щелчка пальца. Анализ показывает центральную роль поверхностного трения в опосредовании динамики щелчка, действуя как защелка для управления возникающими высокими скоростями и ускорениями. Оценивается роль этой фрикционной защелки экспериментально, путем покрытия большого и среднего пальцев разными материалами для получения разных коэффициентов трения и различной сжимаемости. Математическая модель показывает, что трение играет двоякую роль в щелчке пальцем, помогая как в силовой нагрузке, так и в накоплении энергии.

Чтобы изучить кинематику щелчка пальца, специалисты поместили 5 кругов из светоотражающей ленты диаметром 8 мм на лучезапястный сустав, основание пальцев, первый сустав среднего пальца, второй сустав среднего пальца и кончик среднего пальца. Все снимки записали на высокоскоростную камеру Chronos 1.4 со скоростью 4082 кадра в секунду. Различные поверхности (латексная резина, нитрил, смазанный нитрил) накладывались на средний и большой пальцы, чтобы отрегулировать трение. В качестве смазки использовали увлажняющий крем Cetaphil.

Анализировали по 5 снимков от 3 разных людей для каждой поверхности. При каждом испытании используется новая нитриловая перчатка (предотвращалась усталость материала), а перед каждым испытанием наносится свежая смазка для повторяемости. Использовалась нитриловая перчатка, которая лучше всего подходила к размеру руки. Чтобы предотвратить усталость мышц и суставов, человек, выполняющий щелчок пальцами, отдыхает в течение одной минуты между щелчками. Для каждого материала (нитрил, смазанный нитрил, каучук) измерили коэффициенты трения. Измерили силу, развиваемую между пальцами во время щелчка, поместив датчик силы сопротивления FSR Interlink 402 между большим и средним пальцами. По результатам наблюдений эксперимента создана математическая модель в Matlab R2020b.

Насколько быстро происходит щелчок пальцем? Авторы делят щелчок пальцем на 3 фазы: погрузка, разблокировка и движение разблокировки. В фазе нагрузки нормальная сила сначала создается путем сжатия большого и среднего пальцев вместе. На этом этапе энергия накапливается в деформации упругих компонентов кисти и предплечья. Пружинящие элементы - это сухожилия пальцев или предплечья. Однако из-за сложной структуры руки человека точный источник пружины остается открытой областью исследований. Предполагается, что, предотвращая движение, трение между двумя пальцами играет ключевую роль, действуя как защелка. В конце концов, процесс расфиксации начинается с того, что большой палец перемещается в сторону, а средний палец быстро скользит мимо большого пальца, таким образом начиная щелчковое движение. Во время щелчка палец быстро вращается на угол 53,5 градусов за 7,1 мс, что почти в 30 раз быстрее моргания глаза. Палец продолжает свое движение, пока не ударится о ладонь, достигая пикового углового ускорения 1600000 градус/с2. Этот удар генерирует слабые ударные волны (похожие на хлопок в ладоши, что приводит к характерному хлопку.

До сих пор, самое быстрое вращательное движение наблюдалось у людей на профессиональных бейсбольных площадках, с рекордным угловым ускорением 600000 градус/с2. По сравнению с этими профессиональными движениями на поле для бейсбола, зарегистрированные щелчки человеческих пальцев демонстрируют угловые ускорения почти на порядок больше. Таким образом, щелчок пальцем представляет собой одно из самых быстрых зарегистрированных ускорений вращения, достигаемых человеческим телом. Однако это ускорение все еще не идет ни в какое сравнение с тем, которое достигают другие живые системы, такие как муравей-дракула (Mystrium camillae), который может достигать ускорений до a = 1,50000000000000000 градус/с2.

Работа показывает, как трение между поверхностями может быть использовано в качестве настраиваемой системы запоров, и дает представление о сложности трения во многих роботизированных и сверхбыстрых энергосберегающих структурах. Это единственный научный проект в моей лаборатории, в котором мы могли щелкнуть пальцами и получить отличные данные!, - отметил профессор Саад Бхамла.

Комментарий:

Шнобелевская премия 2011 по физике

Медленное воспроизведение видеозаписей, созданных при метании дисков и метании молота, были рассмотрены с целью определения визуальной ориентации, движения головы и подошвенной области опорной поверхности, участвующих в каждом из этапов сложного движения
подробнее

Шнобелевская премия 2011 медицина

8 здоровых молодых людей выпивали 250 мл воды каждые 15 минут до тех пор, пока не могли больше подавлять мочеиспускание. Когнитивную функцию измеряли временными интервалами, которые были классифицированы следующим образом: базовый, средний, экстремальный
подробнее

Источник - пресса

Шнобель Процедура Пресса Анналы Архив Статьи Шнобелист