什么样的纸最容易划破手指?科学家试了试,结果出乎意料

作者: 冬鸢

来源: 环球科学

发布日期: 2024-08-07 22:01:16

丹麦技术大学的物理学家研究了不同厚度和切割角度下纸张切割皮肤的难易程度,发现厚度为65微米的纸最容易划破手指,这种厚度的纸在实际生活中能成功切开手指的可能性为21%。

纸看似柔弱,却会在不经意间偷袭你的手指。通常是翻书或整理文件时,你以为手指皮肤和书页纸张只会有蜻蜓点水般的一面之缘,但直至感到指尖隐隐作痛,你才见手指上那道已被血液描红的轮廓——纸方才轻抚你指尖的瞬间,已然在手指上划出了一道伤口。

也不知这算不幸还是幸运,因为纸划破手指算是小概率事件——平常你就算故意用纸去划手,很多时候也划不破。这引起了丹麦技术大学几位物理学家的兴趣,他们开始查阅研究论文,想知道什么样的纸,用什么样的方式,最容易划破手指。但他们却发现,这么有趣的问题竟然没有人研究过?!好吧,既然查阅不到相关的研究,他们就自己研究!

他们找来了不同厚度的纸,尝试用各种角度去切手指,想看看怎样才最容易切出伤口。

不过鉴于这几位物理学家都不太愿意贡献自己的手指,他们实验中用的“手指”其实是用明胶制作的模型。他们观察到,在相同的切割角度下,当纸很厚时,切割时只能让明胶凹陷下去,但不能成功切开明胶;而当其它条件保持不变,换用薄一点的纸时,就能够切开明胶了——但纸也不是越薄就越好;因为当他们换用更薄的纸时,纸不仅没能切开明胶,还把自己给压弯了。此外,他们还测试了不同切割角度下,纸切破明胶手指的难易程度。

结果发现,切割时纸和明胶表面的夹角越小,越容易切开口子。总结一下就是,纸的切割角度越小越容易切开明胶;但在给定切割角度下,纸太厚或太薄都切不开明胶。

为什么会出现这样的变化趋势呢,最容易切开手指的厚度和角度又是多少呢?首先我们来探究一下,为什么在相同切割角度下,相对薄一点的纸更容易切开皮肤。便于理解的解释是——纸越薄就越“锋利”。在切割皮肤时,纸施加给皮肤的所有力都集中在纸和皮肤间的接触表面上。而纸越薄,它与皮肤间的接触面积就越小,因此施加相同的力时,皮肤在单位面积上所受的力会更大,即“应力”更大。

纸向皮肤施加的应力会有两种作用,一是让皮肤表面向下凹陷形变,二是将接触面两边的皮肤向两侧拉扯。当向两侧拉扯皮肤的应力超过皮肤的承受范围时,皮肤就会被撕裂开,即被纸切开了。而前文说到,纸越薄,应力越大,显然更容易超过皮肤的承受范围,从而切开皮肤。此外,切割角度越小,应力在皮肤表面切向的分量就越大,也更容易切开皮肤。

那为什么当纸过薄的时候,又切不开皮肤了呢?纸太薄,它就过于柔弱了。在以上的分析中,我们其实假定纸是不会形变的,但在开头的实验中我们可以看到,过于薄的纸,在切割过程中会发生弯曲——这是因为太薄的纸强度较低,自身承受不了切开皮肤所需的应力。对于过薄的纸,它们在达到能切开皮肤所需的应力之前就发生了屈曲,因此不足以切开皮肤。

通俗点说,纸能不能切开皮肤,实际上是看在应力增加的过程中,纸和皮肤谁先达到承受极限——先达到皮肤的极限就可以成功切开皮肤,先达到纸的承受极限就会让纸发生屈曲。越薄的纸越锋利,但也更容易达到自身发生屈曲的极限。而当一张纸能够给皮肤的最大应力,刚刚能够切开皮肤,又刚刚不至于发生屈曲时,这种厚度的纸就是最容易划伤手指的纸。

于是这几位物理学家算了算,厚度65微米的纸就刚好满足这个条件。

他们还算出,在真实生活中,65微米厚的纸能成功切开手指的可能性为21%,换句话说,如果你翻阅的纸厚度刚好为65微米,那么平均这种纸每划过你的手指五次,就有一次成功划伤手指,好危险!那么我们生活中什么纸的厚度最接近65微米呢?许多点阵打印机用纸的厚度就刚好是65微米,此外,很多报纸的厚度也差不多。

但作为科研人员,这几位物理学家专门指出:两大学术期刊《科学》(Science,55微米)和《自然》(Nature,49微米)厚度很接近65微米,也十分危险!

找到“最危险”的纸之后,这几位科学家还专门通过3D打印,制作了一种刀架,可以把65微米厚的纸当成刀片使用,据说切蔬菜鸡肉啥的贼轻松!他们已经将该研究过程整理成论文,发表在了期刊《物理评论e》(Physical Review E)上,感兴趣可以去读一读。

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