打响指是职业运动员应有的动作

如果你看过《复仇者联盟》系列电影，它们可能会激发一些科学问题，例如：钢铁侠的战衣真的存在吗？时间旅行是真的吗？为什么布鲁斯·班纳身上没有妊娠纹？对于一组物理学家来说，这引发了一个问题：弹指的物理原理是什么？这个问题恰恰出现在《复仇者联盟：无限战争》（2018）中，反派灭霸戴着强大的无限手套打响指时。一个人戴着像无限手套这样的重型装备真的能成功打响指吗？

这两位好奇的物理学家都来自佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院和哈维穆德学院，他们于周二在《皇家学会界面》杂志上发表了他们的研究成果，并由此阐明了即使没有无限手套，弹指的力量也非常强大。事实上，研究人员发现，这种动作产生的旋转加速度是人类有史以来最高的，几乎比美国职业棒球大联盟投手的手臂速度快三倍。而导致这种高旋转加速度的因素是什么呢？摩擦力。

“当你得到数据时，你会想，‘哦，我们达到了 160 万度/平方秒，天哪。这真是一个相当快的时刻，’”负责这项研究的佐治亚理工学院教授萨阿德·巴姆拉说。“我们需要研究如何能够产生如此高的极端加速度。”

旋转加速度不仅关注物体移动的速度，还关注其移动的弧度。例如，投手的手臂画出一个弧线，旋转加速度关注的是该弧线起点和终点形成的角度。弹动似乎没什么大不了，但它的速度令人印象深刻。弹动仅需 7 毫秒，而眨眼则需要 150 毫秒。它的旋转加速度达到 160 万度/平方秒，这意味着中指在快速移动中形成的小弧线每秒覆盖 160 万度。

整个动作，从拇指和中指并拢到手指在弹动后松弛，将手变成了一个物理系统，正如该团队的论文所解释的那样。这意味着手的所有参与产生弹动的部分都独立运行，但又协同工作，就像机器的各个部件一样。你的手变成了一个闩锁介导弹簧驱动 (LaSMA) 系统。这些系统可以在非常小的规模上产生巨大的能量：电动机将势能加载到用闩锁固定的弹簧系统中。当闩锁释放时，储存在弹簧和闩锁之间的势能以爆炸性的超快运动转化为动能。其他生物，如螳螂虾和陷阱颚蚁，也拥有 LaSMA 系统，使它们能够做出弹动动作。尽管我们的弹动能力很强，但与它们相比还是相形见绌。

该团队将 LaSMA 系统映射到弹响手上。手臂肌肉充当马达，将势能输送到手指肌腱中，这些肌腱变成了弹簧。锁扣不是单独的拇指或中指，而是中指尖和拇指尖之间的皮肤摩擦。这种摩擦在弹响的动态过程中起着双重作用，既能形成锁扣，又能阻碍解锁。如果你将拇指和中指握在一起，保持弹响前的姿势，你就能感觉到势能从手腕和指关节中挤压出来，因为你的指尖绷紧了。

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通过用足够的力将拇指和中指朝相反方向移动，您就克服了暂时将手指锁在一起的皮肤摩擦力，并且手指肌腱中存储的所有潜在能量都以动能的形式爆发出来。中指向手掌底部推进，在撞击时产生弹力。就是这样。

Bhamla 的团队探索了该系统中的变量，例如指尖之间的摩擦力和压缩性。他们尝试用涂有护手霜的指尖打响指，同时戴着乳胶手套和金属顶针（地球上最接近无限手套指尖的模拟物）等抑制剂。

“我们需要这个‘金发姑娘区’，因为摩擦力太小，你就无法加载足够的能量，”巴姆拉说。“但如果摩擦力太大，你仍然需要这种相互滑过的动态运动。”

虽然这只是该团队的业余项目，但他们的观察却处于物理学和工程学的交叉点。例如，你有没有试过用湿指尖解锁智能手机？研究摩擦的作用也可能影响材料科学和我们每天持有的东西。

巴姆拉说：“弹指是一种非常高速、快速的动作，也是一种极端的情况，这让我们能够洞察指腹的极限。”

如果你还没有弄清楚如何折断，Bhamla 能做的也并不多。当被问及如何完美折断的公式时，他用自己的问题回答道：“为什么我们可以折断？比如，进化生物学功能是什么？”其他具有对生拇指的生物是否能够折断还有待观察，但这可能是谜题的下一个部分。