Фізика
Біологія
Фізика
Біологія

Клацання пальцями виявилося найшвидшою дією людського тіла

Американські біоінженери обклеїли світловідбивною стрічкою суглоби пальців рук і розібралися із клацанням ними. З'ясувалося, характерний звук можливий завдяки шкірі подушечок пальців, яка забезпечує ідеальне тертя, а саме клацання виявилося найшвидшим, на що здатне людське тіло. Клацання займає всього сім мілісекунд у ваших пальців — у двадцять разів швидше, ніж ви встигнете моргнути оком. Стаття, як люди клацають пальцями, опублікована у Journal of the Royal Society Interface.

GIPHY

GIPHY

Навіщо дослідники клацали пальцями?

Очевидно, що люди вміють клацати пальцями досить давно. Найперше зображення клацання пальця відноситься до 320 року до нашої ери — на керамічній посудині зображений грецький бог родючості і дикої природи Пан, зігнувши долоню у формі клацання пальця під час танцю. Разом з греками у танцях клацають пальцями, наприклад, в іспанському фламенко. Клацання пальцем можна використовувати аналогічно рукостисканню при вітанні в Ліберії, з його допомогою можна аплодувати, а Таносу з всесвіту Marvel знадобився всього один такий «клац», щоб активувати рукавицю нескінченності.

Marie-Lan Nguyen / Wikimedia Commons

Marie-Lan Nguyen / Wikimedia Commons

Однак виявилося, що незважаючи на поширеність цього руху, ми нічого не знаємо про те, як це працює. Тому дослідники Технологічного інституту Джорджії вирішили побудувати математичну модель процесу клацання пальцями та розібралися, яку роль у ньому грає тертя.

Як клацають пальцями?

Рух, який ми називаємо клацанням, маючи на увазі, загалом голосний контакт двох пальців, можна описати як опосередкований засувом механізм спрацьовування пружини (latch-mediated spring actuation, LaMSA). Він забезпечує перетворення запасеної потенційної енергії пружини на кінетичну і насправді ним користується безліч організмів: від мурах одонтомахусів та жаб до балістоспор грибів і квітів. Наприклад, нещодавно ми розповідали, як біоінженери намагалися відтворити LaMSA, як у рака-богомола, за допомогою робота, щоб з'ясувати, чому у них цей механізм «заїдає».

Цей механізм — компроміс між силою і швидкістю в своїх м'язах для досягнення найбільшої вихідної потужності. У тварин чи рослин головну роль грає контактне місце, що утримує енергію виконавчого механізму (наприклад, м'язів), а затим, під дією якогось тригера, знімається та вивільнює її. І хоча біологи добре знайомі з тим, що дає змогу у природі використовувати пружну енергію, роль тертя у цій системі майже невідома, хоча має впливати на процес успішного вивільнення енергії.

Тому у своїй роботі вчені припустили, що у випадку людських пальців, а не мурашиних щелеп, м'язи руки діють як двигун, навантажуючи потенційну енергію у сухожилля пальців та рук, які діють як пружини. І на їхню думку, саме шкірне тертя між середнім і великим пальцем допомагає зафіксувати середній палець, але при цьому також заважає розчепленню і зайвому руху, граючи подвійну роль у динаміці клацання.

Модель клацання пальцями. Raghav Acharya et al. / Journal of the Royal Society Interface, 2021

Модель клацання пальцями. Raghav Acharya et al. / Journal of the Royal Society Interface, 2021

Як правильно терти пальці?

Щоб вивчити кінематику клацання пальцями, вчені використовували високошвидкісну камеру, світловідбивну стрічку та пальці трьох людей. Стрічку розмістили на суглоби зап'ясть кожного добровольця, основу пальців, а також кінчик середнього пальця. Потім їх змушували клацати пальцями у металевих наперстках, латексних і нітрилових рукавичках, а також пальцями, змащеними лосьйоном. Автори зазначають, що учасникам дозволялося відпочивати протягом однієї хвилини між клацаннями, щоб уникнути м'язової та суглобової втоми.

Raghav Acharya et al. / Journal of the Royal Society Interface, 2021

Raghav Acharya et al. / Journal of the Royal Society Interface, 2021

Так з'ясувалося, що клацання пальцем відбувається всього за сім мілісекунд — це більш ніж у двадцять разів швидше, ніж моргання оком, яке займає понад 150 мілісекунд. Причому найкращий результат був лише з чистими пальцями. Змащена рукавичка була настільки слизькою, що не було достатнього тертя і, отже, зберігалося не так багато енергії. Гумові створювали занадто велике тертя, тому занадто багато енергії губилося у вигляді тепла. Найгірше працювали металеві наперстки: не вдалося накопичити достатньо енергії для клацання.

Згідно високошвидкісних відеозаписів, наша шкіра здатна забезпечити рівно стільки тертя, скільки потрібно для того, щоб спочатку накопичувати, а потім швидко вивільняти енергію, супроводжуючи процес характерним звуком. Модель передбачає, що для певних систем «засувка – пружина» тертя може грати дві конкуруючі ролі: сприяти завантаженню пружини та перешкоджати розблокуванню засувки та навантаженню.

Таким чином, клацання пальця є одним з найшвидших зареєстрованих кутових прискорень, що досягаються людським тілом. Втім, ці швидкості та прискорення все ще низькі в порівнянні з тими, що досягаються іншими живими системами, наприклад мурахами Mystrium camillae. За словами вчених, їхня робота допоможе відкрити нові функції в м'яких роботах, краще зрозуміти схожі механізми в природі, а також сприяти поліпшенню конструкції протезів.