指尖快速弹击的动力学分析

来源: Journal of The Royal Society Interface

发布日期: 2021

本文通过高速成像和力传感器分析了指尖弹击的动力学,揭示了皮肤摩擦在调节弹击动力学中的核心作用,并开发了一个基于摩擦的模型来解释这一现象。

指尖弹击作为一种沟通和音乐形式,在人类文化中已有数千年的历史。然而,这种快速运动的动力学系统分析尚未进行。通过高速成像和力传感器,我们分析了指尖弹击的动力学。我们发现,指尖弹击在7毫秒内达到1.6 × 106° s−2的峰值角加速度,使其成为人体产生的最快记录的角加速度之一(超过职业棒球投手的投球速度)。我们的分析揭示了皮肤摩擦在调节弹击动力学中的核心作用,通过作为闩锁来控制产生的高速度和加速度。

我们通过在拇指和中指上覆盖不同材料以产生不同的摩擦系数和可压缩性,实验评估了这种摩擦闩锁的作用。在此过程中,我们揭示了指垫的可压缩摩擦闩锁可能在一个对摩擦和压缩都最佳调谐的区域中运行。我们还开发了一个基于软、可压缩摩擦闩锁的弹簧驱动模型,以进一步阐明摩擦的关键作用及其与可压缩闩锁的相互作用。我们的数学模型揭示了摩擦在指尖弹击中的双重作用,既有助于力加载和能量存储,又阻碍能量释放。

我们的工作揭示了如何利用表面间的摩擦作为可调闩锁系统,并为许多机器人和超快能量释放结构的摩擦复杂性提供了设计见解。

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