指紋有什么作用？

“凹凸不平的指紋增加了指尖的粗糙度，讓我們在抓取物體時更加牢固。畢竟摩擦力與物體表面粗糙程度有關(guān)，與接觸面面積無關(guān)嘛?！?/span>

是這樣嗎？

答案遠沒有這么簡單。初中的摩擦力定律并不完全適用于指紋的情況?，F(xiàn)實情況是：對于手指而言，手指的摩擦力的確與接觸面積有關(guān)。

手指的摩擦力不僅與接觸面相關(guān)，還和指尖濕度相關(guān)，其背后是指紋的溝壑和豐富的汗腺構(gòu)成的一套復雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，塑造了手指的摩擦力。

復雜的摩擦力

英國曼徹斯特大學的Warman等研究者曾進行過一項有關(guān)手指摩擦力的實驗[1]。實驗中，研究人員測量了志愿者手指與一塊干燥有機玻璃板間的接觸面積與摩擦力，并發(fā)現(xiàn)二者成正比——接觸面積越大，摩擦越大。

咦？怎么和初中學的不一樣？

對于橡膠等彈性體來說，初中時學習的摩擦力定律并不成立，彈性體的摩擦力與接觸面表面積相關(guān)，也與兩個物體間的貼合程度相關(guān)。

彈性體可以形成粘附摩擦力，這可以幫助壁虎緊緊地粘在墻上，也可以讓F1賽車的輪胎牢牢抓住路況良好的干燥路面。

我們的手指屬于彈性體嗎？

至少在與光滑表面接觸時是的。這里的“光滑”指真實世界的光滑，而不是初中物理題中沒有摩擦力的光滑。

Warman等人的實驗還得出了一個推論：在接觸玻璃這樣的光滑物體時，凹凸的指紋會減少指尖與物體的實際接觸面積，導致手指與物體間的摩擦變小。

咦？不對勁，指紋的存在怎么反而降低了摩擦力？

出汗是為了增加摩擦力

科學家們?yōu)檫@個問題爭論了很長時間。有學者指出，Warman等人的實驗推論忽略了一項重要因素：接觸面濕度。

在其他研究指紋功能的實驗中，人們觀察到，如果用干燥的手指接觸光滑不透水的物體表面，手指與物體間的摩擦力會在一段時間內(nèi)逐漸增加[2]。

摩擦力的逐漸增加是由濕度變化導致的：我們的指紋上密布著汗腺，達到了每平方厘米內(nèi)530個。在指尖與光滑表面接觸后，汗腺分泌的汗液則能軟化手指角質(zhì)層，讓手指皮膚與物體表面貼合更緊，從而增大二者之間的摩擦。

圖C：手指濕潤狀態(tài)下能夠清晰看到指紋上的汗腺（白點）。圖D：指紋切面圖，小彈簧形狀的白線就是汗腺。[3]

聽起來似乎哪里不對：出汗難道不會讓手指更滑嗎？怎么反倒能增加摩擦？

最近，英國伯明翰大學Michael J.Adams與韓國Seoung-Mok Yum等一些學者一起，通過實驗回答了這個問題。

他們測量對比了身體不同部位與干燥有機玻璃接觸時接觸面上的濕度變化。在我們的身體上，手指等粗糙皮膚處汗腺發(fā)達、表面凹凸不平，而胸口、前臂和大腿則汗腺較少、更為平滑。

與玻璃接觸后，“粗糙皮膚”接觸面的濕度很快穩(wěn)定在一個值；而“平滑皮膚”雖然汗腺更少，卻源源不斷地分泌著汗液，導致接觸表面的濕度持續(xù)攀升。

不同部位皮膚濕度隨時間的變化。氪羅鋇路斯譯。 [4]

接下來的摩擦力測量表明，指尖濕度穩(wěn)定時，手指與玻璃間的摩擦力也達到了最大。

這些實驗結(jié)果就可以幫助我們理解出汗為什么能夠增加摩擦了：指尖上的汗腺分布在指紋的隆起處，當指尖與其它光滑表面接觸時，汗腺分泌的汗液導致手指與接觸表面貼合更緊。緊密貼合反過來阻塞了汗腺，讓它無法繼續(xù)分泌。通過這種濕度平衡調(diào)控，手指完美達成了摩擦最大化。

換句話說，指紋上的紋路與汗腺一起，通過默契配合，增加了手指對光滑物體的摩擦力。

指紋上的精密儀器

講到這里，不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)一個的漏洞：干燥情況下，適量“出汗”能夠幫助我們更好地抓握物體，那如果手上的汗液本來就很多了呢？難道黃歷上整個夏天都寫著“忌玩手機”？

放心，指紋已經(jīng)安排好了一切。

研究人員還測量了不同身體部位與濕潤有機玻璃接觸時的濕度與摩擦系數(shù)變化。

他們先用一滴液體打濕玻璃，然后讓“平滑皮膚”接觸玻璃，發(fā)現(xiàn)接觸位置的濕度在幾分鐘之內(nèi)都沒有發(fā)生變化。

然后，他們又用手指接觸濕潤玻璃，結(jié)果接觸位置的濕度快速下降，一分鐘之內(nèi)又達到了一個穩(wěn)定值！

與干燥有機玻璃的實驗對比之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，不管初始條件是濕潤還是干燥，手指接觸點的濕度都可以在短時間內(nèi)達到同一穩(wěn)定值。處在這個濕度時，摩擦力達到了最大。

不同部位濕度和摩擦系數(shù)隨時間的變化。氪羅鋇路斯譯。 [4]

指紋上的超高密度汗腺可以使?jié)穸瓤焖僭黾?，那濕潤條件下，液體的飛速蒸發(fā)又是怎么做到的呢？

答案就藏在指紋的溝壑里。指紋的溝壑像一條條排水管道，可以通過毛細作用快速排出多余的水分。

研究者繪制的手指-玻璃接觸面濕度調(diào)控示意圖。氪羅鋇路斯譯。 [4]

這樣一來，手指就像一套高效的濕度控制系統(tǒng)，通過汗腺的開關(guān)和指紋的配合，既能在干燥的時候及時增加濕度，從而增加手指摩擦力；又能夠防止汗液積累過多，造成“手滑”。

雖然指紋確實能夠“增加摩擦力”，但增加摩擦力的方法是不是比你想象得還要炫酷呢？

參考文獻

[1] Warman, Peter H., and A. Roland Ennos. "Fingerprints are unlikely to increase the friction of primate fingerpads." Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): 2016-2022.

[2] Adams, Michael J., et al. "Finger pad friction and its role in grip and touch." Journal of The Royal Society Interface 10.80 (2013): 20120467.

[3] Taylor, Nigel AS, and Christiano A. Machado-Moreira. "Regional variations in transepidermal water loss, eccrine sweat gland density, sweat secretion rates and electrolyte composition in resting and exercising humans." Extreme physiology & medicine 2.1 (2013): 4.

[4] Yum, Seoung-Mok, et al. "Fingerprint ridges allow primates to regulate grip." Proceedings of the National Academy of Sciences 117.50 (2020): 31665-31673.

[5] Adelman, Steven, C. RICHARD Taylor, and NORMAN C. Heglund. "Sweating on paws and palms: what is its function?." American Journal of Physiology-Legacy Content 229.5 (1975): 1400-1402.

[6] Knight, Kathryn. "Fingerprints Don't increase Friction." Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): i-i.

作者：氪羅鋇路斯

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