为了测出香蕉皮的摩擦系数,他“踩”了60次香蕉皮

摘要:北京时间20200603关于【为了测出香蕉皮的摩擦系数,他“踩”了60次香蕉皮】的具体情况和说明,让www.gzkingde.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

你有踩到香蕉皮滑倒的经历吗?不只是香蕉皮,西瓜皮、苹果皮、"葱鼻涕"、"白菜屁股"等厨余垃圾都容易让人打滑。电影中更是经常出现因为踩到香蕉皮滑倒的场景。

图片来源:Veer图库

这些厨余垃圾为什么会让人打滑?香蕉皮、苹果皮、橘皮到底谁更容易让人滑倒?这些现象能给人类带来哪些启发呢?

危险的"葱鼻涕",来源:日文推特凭借香蕉皮拿下"诺贝尔奖"的"无聊"老大爷

香蕉皮到底有多滑?

还真有科学家正儿八经地做实验研究过。日本科学家,北里大学医疗卫生学部马浏清资教授凭借测定香蕉皮摩擦系数并揭示其润滑原理而拿下2014年搞笑诺贝尔物理学奖。

马浏教授从事的其实是关节软骨的润滑机理和人工关节的研究。和其他人谈起自己的研究成果时,有句话他时常挂在嘴边:"这东西(关节)转起来跟踩到香蕉皮差不多滑。"有一天,他忽然意识到一件事情,踩到香蕉皮到底有多滑?我这个例子用的到底对不对?

好奇心和求知欲促使他尝试去寻找与踩香蕉皮有关的摩擦力文献数据。但根本没有人正儿八经地研究过踩到香蕉皮到底有多滑这件事情,于是,他决定自己研究。

最开始,马浏教授想直接利用斜面来测出香蕉皮的摩擦系数。他把香蕉放到一个斜面上,不断加大斜面的倾斜角度。最终发现,斜面倾角超过45度,香蕉才能在斜面上滑动,这样换算之后能得出静态的香蕉摩擦系数大约为1.2。这一数值远远超过了鞋底和平坦地面间的摩擦系数,0.4(摩擦系数值越小,表明越滑)。香蕉皮还能防滑?这一结论显然有违生活常识,静态的香蕉皮完全不能体现它的真实光滑程度。

测定香蕉皮在有/无载荷情况下摩擦系数的两种方法,来源:参考文献1

所以,马浏教授决定,用实验室中测量人工关节润滑程度的专用设备,模拟人踩到香蕉皮的情况,来测香蕉皮的摩擦系数。

测量了60组数据后,马浏教授发现,模拟条件下香蕉皮的摩擦系数仅有0.066,这一数值远远低于正常情况下脚底和平坦地面间的摩擦,甚至比滑雪、滑冰时脚下的摩擦力还小,香蕉皮确实很滑。

除了香蕉皮,马浏教授还测试了多种生物质的摩擦系数,包括苹果皮和橘子皮,它们的摩擦系数分别是0.1和0.2左右。

从安全工学的角度而言,在摩擦系数低于0.1的表面上,有90%的几率会发生打滑。也就是说,踩到香蕉皮甚至苹果皮后脚底打滑的概率都超过了九成。

各种不同生物质表面的摩擦系数,来源:参考文献1香蕉皮为什么会这么滑?

这得从香蕉皮的结构说起。通过电子显微镜,马浏教授观察到香蕉皮的内侧表层存在着很多的泡状细胞,其中充斥着大量的多糖类生物粘液。当受到挤压时,存有粘液的小泡会发生破裂,同时释放出粘液。这些粘液带来的润滑效果就是让你我摔成四脚朝天的罪魁祸首。

香蕉皮中微泡破裂前/后对比,来源:参考文献1

生物质润滑依赖粘液是非常普遍的情况。生物质粘液的成分较为复杂,不过总体上来说,水果的粘液主要由多糖一类大分子溶于细胞液后所形成。多糖较长的碳链让它们在微观上形成复杂的三维高分子网络,从而获得较高的粘度。

也许你会有这样的疑问,粘度高的流体不容易流动,这不是恰好说明它们内部存在较大的摩擦么?为什么粘液还能起到润滑效果呢?

这是因为在一般的固体接触摩擦中,实际上并非是整个面积都发生接触,而仅仅是表面突起的部分间发生摩擦。如果此时在固体表面间引入液体形成液膜,就能尽量减少直接的固体接触。

而粘液之所以比一般清液润滑效果好,是因为粘液较高的粘度和内摩擦让它们在受压时更难被排除出接触面,从而拥有更大的润滑液膜厚度和润滑面比例。

不过,一旦将这些生物质完全脱水,它们的润滑效力就会消失。你可能不知道,你的关节比香蕉皮滑多了

香蕉皮、苹果皮等生物质润滑只是在生活中给我们造成一些小麻烦,但在一些场景中,生物质润滑却能造成重大损失。

日本中部山区的一些地方每隔8年都会出现一次马陆大爆发。因为这种马陆的生命周期为8年,第8年正好是它们从土壤中钻出进行交配的时节。马陆大爆发极为壮观,一平方米范围内的马陆可以达到上百条之巨。马陆给当地带来的最大困扰莫过于当它们大量发生于铁道上的时候。

马陆,考虑到密集症,就不放马陆集群图片了。来源:Veer图库

当地是山区,铁轨存在一定的坡度,一旦大量马陆堆积,列车就会因为碾碎马陆后产生的粘液而打滑,严重时列车车轮在上坡时会完全陷于空转。

当地的列车不得不在长达两个月的马陆繁殖期内中断运营。这种马陆也因此而获得了"火车马陆"的俗名。

另一个方面,我们能灵活行走其实离不开生物润滑。人体内最为神奇的润滑液莫过于关节液了。关节液充满了整个关节腔,为关节活动提供润滑。人体关节需要在几十年间经常承受数百牛顿的压力,它们之所以可以长期保持良好的运转状态,这都是关节液的功劳。在关节液的润滑下(当然也包括整个关节腔的独特构造),关节的摩擦系数仅仅是香蕉皮的十分之一左右,比滑冰和滑雪时的摩擦系数还要低上几倍。

关节液中含有大量的玻尿酸,这也是一种具有润滑性质的生物大分子。除了多糖和玻尿酸,生物体中还有很多种生物大分子的水溶液,比如蛋白质和核酸同样可以形成具有润滑效果的粘液。从这个意义上讲,一切生物有机体在某种条件下都会很"滑"。

研究与生物质有关的润滑现象,与人类的物质生产和身体健康息息相关,不管研究对象看起来多不靠谱,背后的动机却是认真严肃的。

参考文献:

1. 人はなぜバナナの皮で滑るか。

2. 関節の滑りからバナナの滑り、さらに生命科学の広がりへ

3. 科学技術と文化 -バナナの皮が拓いた世界-

4. 生物に学ぶ表面微細構造とトライボロジーの関係

5. ゲルの摩擦と水和潤滑~生物の滑らかな 運動解明へのアプローチ

出品:科普中国

制作:全日精英高校联盟

监制:中国科学院计算机网络信息中心

文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场


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