为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

本文来自微信民众号:果壳(ID:Guokr42),作者:氪罗钡路斯,编辑:江笑川,原文题目:《出汗是为了防止手滑?是的,这是真的》,头图来自:视觉中国

指纹有什么作用?

“凹凸不平的指纹增添了指尖的粗拙度,让我们在抓取物体时加倍牢靠。究竟摩擦力与物体外面粗拙水平有关,与接触面面积无关嘛。”

是这样吗?

谜底远没有这么简朴。初中的摩擦力定律并不完全适用于指纹的情形。现实情形是:对于手指而言,手指的摩擦力简直与接触面积有关。

手指的摩擦力不仅与接触面相关,还和指尖湿度相关,其背后是指纹的沟壑和厚实的汗腺组成的一套庞大的调治系统,塑造了手指的摩擦力。

庞大的摩擦力

英国曼彻斯特大学的Warman等研究者曾举行过一项有关手指摩擦力的实验[1]。实验中,研究人员丈量了志愿者手指与一块干燥有机玻璃板间的接触面积与摩擦力,并发现二者成正比——接触面积越大,摩擦越大。

怎么和初中学的不一样?

对于橡胶等弹性体来说,初中时学习的摩擦力定律并不建立,弹性体的摩擦力与接触面外面积相关,也与两个物体间的贴合水平相关。

弹性体可以形成粘附摩擦力,这可以辅助壁虎紧紧地粘在墙上,也可以让F1赛车的轮胎牢牢捉住路况优越的干燥路面。

我们的手指属于弹性体吗?

至少在与滑腻外面接触时是的。这里的“滑腻”指真实天下的滑腻,而不是初中物理题中没有摩擦力的滑腻。

Warman等人的实验还得出了一个推论:在接触玻璃这样的滑腻物体时,凹凸的指纹会削减指尖与物体的现实接触面积,导致手指与物体间的摩擦变小。

纰谬劲,指纹的存在怎么反而降低了摩擦力?

出汗是为了增添摩擦力

科学家们为这个问题争论了很长时间。有学者指出,Warman等人的实验推论忽略了一项重要因素:接触面湿度

在其他研究指纹功效的实验中,人们观察到,若是用干燥的手指接触滑腻不透水的物体外面,手指与物体间的摩擦力会在一段时间内逐渐增添[2]。

摩擦力的逐渐增添是由湿度转变导致的:我们的指纹上密布着汗腺,到达了每平方厘米内530个。在指尖与滑腻外面接触后,汗腺排泄的汗液则能软化手指角质层,让手指皮肤与物体外面贴合更紧,从而增大二者之间的摩擦。

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心图C:手指湿润状态下能够清晰看到指纹上的汗腺(白点)。图D:指纹切面图,小弹簧形状的白线就是汗腺。[3]

听起来似乎那里纰谬:出汗岂非不会让手指更滑吗?怎么反倒能增添摩擦?

最近,英国伯明翰大学Michael J.Adams与韩国Seoung Mok Yum等一些学者一起,通过实验回覆了这个问题。

他们丈量对比了身体差别部位与干燥有机玻璃接触时接触面上的湿度转变。在我们的身体上,手指等粗拙皮肤处汗腺蓬勃、外面凹凸不平,而胸口、前臂和大腿则汗腺较少、更为平滑。

与玻璃接触后,“粗拙皮肤”接触面的湿度很快稳固在一个值;而“平滑皮肤”虽然汗腺更少,却源源不断地排泄着汗液,导致接触外面的湿度连续攀升。

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

30倍速下的手指-干燥有机玻璃接触面水分转变摄像,玄色是水分。 [4]

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

差别部位皮肤湿度随时间的转变。氪罗钡路斯译。 [4]

接下来的摩擦力丈量解释,指尖湿度稳准时,手指与玻璃间的摩擦力也到达了最大。

这些实验效果就可以辅助我们明白出汗为什么能够增添摩擦了:指尖上的汗腺漫衍在指纹的隆起处,当指尖与其它滑腻外面接触时,汗腺排泄的汗液导致手指与接触外面贴合更紧。慎密贴合反过来壅闭了汗腺,让它无法继续排泄。通过这种湿度平衡调控,手指完美达成了摩擦最大化。

换句话说,指纹上的纹路与汗腺一起,通过默契配合,增添了手指对滑腻物体的摩擦力。

指纹上的精密仪器

讲到这里,不知道你有没有发现一个的破绽:干燥情形下,适量“出汗”能够辅助我们更好地抓握物体,那若是手上的汗液原本就很多了呢?岂非通书上整个炎天都写着“忌 玩手机”?

放心,指纹已经放置好了一切。

研究人员还丈量了差别身体部位与湿润有机玻璃接触时的湿度与摩擦系数转变。

他们先用一滴液体打湿玻璃,然后让“平滑皮肤”接触玻璃,发现接触位置的湿度在几分钟之内都没有发生转变。

然后,他们又用手指接触湿润玻璃,效果接触位置的湿度快速下降,一分钟之内又到达了一个稳固值!

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

30倍速下的手指-湿润有机玻璃接触面水分蒸发摄像(玄色是水分) [4]

与干燥有机玻璃的实验对比之后,研究人员发现,不管初始条件是湿润照样干燥,手指接触点的湿度都可以在短时间内到达统一稳固值。处在这个湿度时,摩擦力到达了最大。

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

差别部位湿度和摩擦系数随时间的转变。氪罗钡路斯译。 [4]

指纹上的超高密度汗腺可以使湿度快速增添,那湿润条件下,液体的飞速蒸发又是怎么做到的呢?

谜底就藏在指纹的沟壑里。指纹的沟壑像一条条排水管道,可以通过毛细作用快速排挤多余的水分。

为了帮你玩手机,手指也是操碎了心

研究者绘制的手指-玻璃接触面湿度调控示意图。氪罗钡路斯译。 [4]

这样一来,手指就像一套高效的湿度控制系统,通过汗腺的开关和指纹的配合,既能在干燥的时刻实时增添湿度,从而增添手指摩擦力;又能够防止汗液积累过多,造成“手滑”。

虽然指纹确实能够“增添摩擦力”,但增添摩擦力的方式是不是比你想象得还要炫酷呢?

参考文献

[1] Warman, Peter H., and A. Roland Ennos. “Fingerprints are unlikely to increase the friction of primate fingerpads.” Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): 2016-2022.

[2] Adams, Michael J., et al. “Finger pad friction and its role in grip and touch.” Journal of The Royal Society Interface 10.80 (2013): 20120467.

[3] Taylor, Nigel AS, and Christiano A. Machado-Moreira. “Regional variations in transepidermal water loss, eccrine sweat gland density, sweat secretion rates and electrolyte composition in resting and exercising humans.” Extreme physiology & medicine 2.1 (2013): 4.

[4] Yum, Seoung-Mok, et al. “Fingerprint ridges allow primates to regulate grip.” Proceedings of the National Academy of Sciences 117.50 (2020): 31665-31673.

[5] Adelman, Steven, C. RICHARD Taylor, and NORMAN C. Heglund. “Sweating on paws and palms: what is its function?.” American Journal of Physiology-Legacy Content 229.5 (1975): 1400-1402.

[6] Knight, Kathryn. “Fingerprints Don’t increase Friction.” Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): i-i.

本文来自微信民众号:果壳(ID:Guokr42),作者:氪罗钡路斯

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