世界上最锋利的物体为什么不能切割任何东西

来源: 科学大院

发布日期: 2023-05-25 07:02:50

本文探讨了世界上最锋利的物体为什么不能切割任何东西的问题,通过分析刀刃的几何特性,如边缘半径和楔角,解释了锋利度的定义和局限性。文章还提到了超锋利的蓝宝石手术刀和黑曜石刀片,以及最锋利的钨纳米针,尽管其几何形状非常尖锐,但由于材料的脆性,无法实现切割或穿孔的功能。

有⼀种情况可以证明,世界上最锋利的物体⽆法切割任何东⻄。我们都⽤⼑切过苹果,⼑很锋利对我们来说是显⽽易⻅的事情。但如果⼯具很锋利,那么它应该很容易切割东⻄才对。所以“世界上最锋利的物体⽆法切割任何东⻄”这句话听起来就很违反直觉,那这到底是怎么回事呢?

就像其他⼤多数概念⼀样,科学家们试图确定锋利的定义。听到“锋利”⼀词时可能⾸先想到的物体是⼑,研究该形状的确切细节及其⼏何特性,为我们定义锋利度提供了⼀个起点。如果我们放⼤⼑刃,就会发现它有⼀种楔形。直觉上,楔形的“锋利度”似乎归结为两个主要属性:它有多尖以及它有多窄。因此,科学家们创造了“尖锐度”和“狭窄度”的具体测量⽅法,来试图定义锋利度!

从尖锐度开始,如果我们放⼤⼑的边缘,我们会发现楔形的尖端不会收缩到⽆限⼩的点。相反,它最后会收缩成⼀条微⼩的曲线。将该曲线视为形成圆的⼀部分,该圆的半径可以最终决定了⼑的边缘有多⼩。这⾥有⼀个词,叫做边缘半径,这是我们描述⼑刃“尖锐度”的⼏何⽅式。较⼩的边缘半径意味着更⼩的曲线,⼑缘更接近理想的完美尖⻆形状。

但是边缘半径并不是锋利度的全部,因为即使是具有相同半径的⼑,厚度也可能不同。因此,为了让“边缘半径”有⽤,我们还必须确定“窄度”部分。这由所谓的楔⻆定义:楔形的两个平⾯之间的⻆度。较⼩的⻆度意味着更薄的楔形,这通常意味着更锋利的⼑⽚。

如果⼀个⼑⽚具有固定的⼩楔⻆,那么边缘半径就可以确定锋利度。例如,某些外科⼿术⼑的蓝宝⽯⼑⽚边缘半径只有⾄25纳⽶,相当于只有只有⼏百个原⼦!由于⼑⽚如此锋利,蓝宝⽯⼿术⼑留下的疤痕实际上⽐钢⼿术⼑愈合得更快。此外,⼑⽚由坚硬的蓝宝⽯制成,⾮常耐⽤。

但即使是这些超锋利的蓝宝⽯⼿术⼑也不是最锋利的,⼀种更锋利的⼑⽚是由⿊曜⽯制成的。⿊曜⽯是⼀种⽕⼭玻璃,可以制作成边缘半径仅为3纳⽶的⼑刃。

这相当于只有⼏⼗个原⼦,使其成为我们所知的最锋利的物体之⼀。今天。我们仍然使⽤⿊曜⽯⼑⽚进⾏某些类型的⼿术,因为它们的超锋利度可以在不需要施加太⼤压⼒的情况下进⾏切割。事实上,⿊曜⽯⼑⽚甚⾄可以将单个细胞切成两半。因此,边缘半径和楔⻆结合起来,很好地描述了⿊曜⽯令⼈难以置信的切割能⼒。

所以,这给了我们⼀个错觉,认为定义锋利很简单。

不幸的是,到⽬前为⽌我们讨论的⼏何属性有⼀些缺点,⽐如描述针的锋利度,由于它们的尖端也会收缩到⼀个曲⾯,我们可以使⽤边缘半径的概念。但与⼑不同的是,它们没有形成楔形的两个平⾯,因此楔⻆在这⾥没有意义。我们可以使⽤其他类型的⻆度,但它们都有⾃⼰的问题。例如,对于注射针,倾斜边与直边之间存在⼀个⻆度,称为“斜⻆”。

2012年的⼀项研究发现,在同⼀根针上设置多个斜⻆可以提⾼其刺穿⽪肤的能⼒,这对于减轻疼痛和提⾼疗效⾮常重要。这与我们对锋利度的直觉相违背。

⾄于边缘半径,我们在⼈造⼯具上实现的最⼩半径是钨纳⽶针。它是扫描隧道显微镜的探针,可在针和表⾯之间产⽣跳跃的微⼩电流。通过这样做,针尖可以识别表⾯上单个原⼦的位置,并帮助我们建⽴材料外观的图像。这个探针的尖端只有⼀个原⼦宽,我们不能得到⽐这更⼩的了。也正是由于这种⼩得离谱的半径,吉尼斯世界纪录⼤全宣布钨纳⽶针是世界上最锋利的⼈造物体。

但正如我们⼀开始所说的,这个针不能切割或刺穿任何东⻄!⼀个只有⼀个原⼦厚的物体⾮常脆,即使它有超级“锋利度”也不会提⾼针的切割能⼒或刺穿能⼒。如果我们试图对它施加任何压⼒,它就会折断。这不仅仅是钨纳⽶针的问题,我们前⾯提到的那些⿊曜⽯外科⼿术⼑也不会⼀直使⽤,因为它们也很脆,如果外科医⽣不⼩⼼,就有折断的⻛险。因此,当描述切割或穿孔的能⼒时,锋利度并⼀定适⽤。它仅描述对象的⼏何形状,⽽不是其功能。

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