Скорость и механизм образования плотного контакта кожи с поверхностью предмета, который необходимо удержать в руке, сильно зависит от твердости и упругости этой поверхности. Международный коллектив ученых детально исследовал динамику формирования такого контакта для поверхностей стекла и силикона и объяснил, почему резиновая вставка на ручке значительно повышает удобство ее использования. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для того чтобы отвертка, рукоятка молотка или топора не выскальзывали из пальцев, на поверхности инструмента часто размещают дополнительные резиновые накладки. Обычно механизм их работы объясняют тем, что на маленьких масштабах поверхность кожи, которая состоит из кератина, является шероховатой и достаточно твердой, так что при контакте с твердым материалом действительная площадь соприкосновения оказывается небольшой. В случае же с упругими и легко деформируемыми материалами образуется контакт большей площади, что приводит к увеличению трения и более надежному удержанию предмета в руке. Однако прежде эти выкладки подтверждались лишь с помощью макроскопических экспериментов и косвенных расчетов.

В своей новой работе международная группа ученых, для того чтобы изучить динамику образования контакта пальцев с поверхностями различных типов, решила использовать анализ отпечатков пальцев. Ученые изучили изменение рисунка отпечатка указательного пальца при его контакте с полированной стеклянной поверхностью (с твердостью больше кератина) и упругой поверхностью из силикона. Кроме этого, исследователи измерили изменение нормальной силы со стороны пальца, рассчитали действительную площадь контакта и эффективный коэффициент трения.

Динамика изменения площади контакта пальца с поверхностью из стекла и из силикона (a) и эффективного коэффициента трения (б). В нижней части рисунка изображены увеличенные участки отпечатков пальцев при контакте с силиконом спустя 2 и 62 секунды после прикосновения в нескольких экспериментах. B. Dzidek et al./ PNAS, 2017

Спустя примерно минуту после соприкосновения с кожей площадь контакта для обоих типов поверхностей оказалась довольно близка, но динамика протекающих в течение этой минуты процессов была совершенной разной. Если для деформируемой силиконовой поверхности контакт образуется практически сразу (спустя примерно секунду), то для гладкой твердой поверхности формирование полного контакта происходит значительно дольше (спустя пару десятков секунд). По словам ученых, эти отличия связаны с тем, что механизм образования контакта для твердых и мягких поверхностей значительно различается.

Деформируемая поверхность с твердостью меньше, чем у кератина, сама подстраивает свою форму и сразу образует плотный контакт с кожей. В случае же с твердой поверхностью сначала происходит образование неплотного контакта между ней и кожей, а затем кожа начинает потеть. Это приводит к набуханию кератина и переходу его в более мягкое состояние. В результате плотный контакт образуется за счет деформации поверхности кожи.

Итоговый результат в обоих случаях является почти одинаковым, но при захвате твердого предмета на достижение плотного контакта с ним требуется значительно больше времени. Так как при этом на поверхности кожи формируется жидкая пленка, коэффициент трения все равно оказывается несколько меньше, и поэтому для удержания твердого предмета требуется большее усилие, чем для удержания предмета с деформируемой поверхностью. Впрочем, эти отличия не слишком существенны.

Ученые отмечают, что твердость и упругость — далеко не единственные свойства, которые определяют прочность контакта предмета с рукой, но, тем не менее, полученные ими результаты будут полезны как для анализа передачи тактильной информации в мозг, так и для разработки материалов для сенсорных экранов.

Автор: Александр Дубов