Inspirés par l’art, les chercheurs découvrent que le claquement des doigts a la plus forte accélération produite par le corps humain


Cette bande dessinée montre la recherche au Bhamla Lab d’une manière passionnante et engageante – tout renvoie à la science axée sur la curiosité et à la façon dont elle peut influencer la recherche scientifique. Crédit photo : Lindsey Leigh pour Georgia Tech

Le claquement de doigt a été découvert pour la première fois vers 300 av. Représenté dans l’art grec ancien vengeur Film. Les deux médiums ont inspiré un groupe de chercheurs du Georgia Institute of Technology pour étudier la physique du claquement de doigt et découvrir comment la friction joue un rôle crucial.

Avec un frottement moyen, ni trop élevé ni trop bas, un claquement de doigt produit les accélérations de rotation les plus élevées observées chez l’homme, encore plus rapides que le bras d’un de baseball professionnel. Les résultats ont été publiés dans le 17 novembre Journal de la Royal Society Interface.

La recherche a été dirigée Raghav Acharya, étudiant de premier cycle de Georgia Tech, et Elio Challita, étudiant au doctorat, le professeur adjoint Saad Bhamla de la School of Chemical and Biomolecular Engineering et le professeur adjoint Mark Ilton du Harvey Mudd College à Claremont, en Californie.

Leurs résultats pourraient un jour être intégrés à la conception de prothèses conçues pour imiter les diverses capacités de la main humaine. Bhamla a déclaré que le projet est également un excellent exemple de ce qu’il appelle la science axée sur la curiosité, où les événements quotidiens et les comportements biologiques peuvent servir de sources de données pour de nouvelles découvertes.

« Au cours dernières années, j’ai été intrigué par la façon dont nous pouvons claquer des doigts », a déclaré Bhamla. « C’est vraiment un puzzle de physique extraordinaire juste sous nos yeux qui n’a pas encore été étudié en détail. »

Dans des travaux antérieurs, Bhamla, Ilton et d’autres collègues avaient développé un cadre général pour expliquer les mouvements étonnamment puissants et ultrarapides observés dans les organismes vivants. Le cadre semblait s’appliquer à l’instantané, bien sûr. Il indique que les organismes comptent sur l’utilisation d’un ressort et d’un mécanisme de verrouillage pour stocker de l’énergie qu’ils peuvent ensuite libérer rapidement.







Claquer des doigts au ralenti avec du son. Crédit photo : Georgia Tech

Acharya et Bhamla ont ressenti une envie particulière d’appliquer ce cadre en un claquement de doigt après avoir regardé le film Avengers : guerre à l’infini, sorti en avril 2018 et produit par Marvel Studios. Dans ce document, Thanos, un personnage méchant, essaie d’obtenir six pierres spéciales et de les placer dans son gant en métal. Après les avoir tous rassemblés, il claque des doigts et déclenche des conséquences à l’échelle de l’univers.

Mais serait-il même possible de casser avec un gantelet, ont demandé les chercheurs ? Dans le cas d’un claquement de doigts, ils soupçonnaient que le frottement cutané jouait un rôle plus important par rapport aux autres systèmes à ressort et à loquet. Avec les propriétés de friction d’un gant en métal, ils ont imaginé que cela ne pourrait pas être possible.

À l’aide d’une imagerie à grande vitesse, d’un traitement d’image automatisé et de capteurs de force dynamique, les chercheurs ont analysé un grand nombre de claquements de doigts. Ils ont examiné le rôle de la friction en couvrant les doigts avec une de matériaux, y compris des dés à coudre métalliques, pour simuler les effets d’essayer de claquer tout en portant un gant métallique, similaire à ce que Thanos a fait.

Pour un instantané ordinaire avec les doigts nus, les chercheurs ont mesuré des vitesses de rotation maximales de 7 800 degrés par seconde et des accélérations de rotation de 1,6 million de degrés par seconde au carré. La vitesse de rotation est inférieure à celle mesurée pour les mouvements de rotation les plus rapides observés chez l’homme émanant des bras des joueurs de baseball professionnels lors du tangage. L’accélération instantanée, cependant, est l’accélération angulaire humaine la plus rapide mesurée à ce jour, presque trois fois plus rapide que l’accélération de rotation du bras d’un lanceur de baseball professionnel.

« Quand j’ai vu les données pour la première fois, j’ai sauté de ma chaise », a déclaré Bhamla, qui étudie le mouvement ultrarapide dans une variété de systèmes vivants, des cellules individuelles aux insectes. « Le claquement de doigts ne prend que sept millisecondes, plus de vingt fois plus vite qu’un clignement d’œil, qui prend plus de 150 millisecondes. »

Lorsque le bout des doigts des sujets était recouvert de manchons métalliques, leurs vitesses de rotation maximales diminuaient considérablement, confirmant les intuitions des chercheurs.

Saad Bhamla claque. Crédit photo : Georgia Tech

« Nos résultats suggèrent que Thanos n’aurait pas pu craquer à cause de ses doigts blindés de métal », a déclaré Acharya, auteur principal de l’étude. « Eh bien, ce sont probablement les effets spéciaux d’Hollywood, pas la physique réelle du jeu ! Désolé pour le spoil. »

Ils ont expliqué cette diminution en regardant la zone de contact réduite qui existe entre les doigts recouverts de dé à coudre.

« La compression de la peau rend le système un peu plus tolérant aux erreurs », explique Challita, co-auteur de l’ouvrage. « En réduisant à la fois la compressibilité et la friction de la peau, il est beaucoup plus difficile de créer suffisamment de force dans vos doigts pour qu’ils claquent réellement. »

Étonnamment, l’augmentation de la friction du bout des doigts avec des coussinets en caoutchouc a également réduit la vitesse et l’accélération. Les chercheurs ont conclu qu’une zone de friction de boucles d’or était nécessaire – trop peu de friction et trop peu d’énergie étaient stockées pour propulser l’instantané de chaleur.

Les chercheurs ont expérimenté divers modèles mathématiques du processus de capture pour expliquer leurs observations. Ils ont découvert qu’un modèle avec un ressort et un loquet de contact à friction douce pouvait reproduire les caractéristiques qualitatives de leurs résultats.

« Nous avons ajouté un contact de friction doux à notre modèle mathématique, et les résultats ont confirmé le rôle central du frottement dans la réalisation d’un mouvement ultrarapide », a déclaré Ilton. « Ce modèle peut maintenant nous aider à comprendre comment d’autres animaux tels que les termites et les fourmis brisent leurs mandibules, ainsi que des actionneurs rationnellement bio-inspirés pour des applications techniques. »

Vase grec ancien représentant un claquement de doigt. Crédit photo : Wikicommons

John Long, directeur de programme à la division Systèmes organiques intégratifs de la National Science Foundation, supervise la recherche dans le programme Mécanismes physiologiques et biomécanique, qui finance actuellement les recherches de Bhamla sur le comportement ultrarapide chez les animaux.

« Cette recherche est un excellent exemple de ce que nous pouvons apprendre avec une expérimentation intelligente et une modélisation informatique perspicace », a-t-il déclaré. « En montrant que divers degrés de friction entre les doigts modifient les performances élastiques d’un bouton-poussoir, ces scientifiques ont ouvert la porte à la découverte des principes qui fonctionnent dans d’autres organismes et à la mise en œuvre de ce mécanisme dans des systèmes d’ingénierie comme les robots bio-inspirés. »

John Long, directeur de programme à la Direction des sciences biologiques de la National Science Foundation, supervise les recherches du programme Mécanismes physiologiques et biomécanique, qui finance actuellement les recherches de Bhamla sur le comportement ultrarapide chez les animaux.

« Les recherches du Dr. Bhamla et ses collègues sont un excellent exemple de ce que nous pouvons apprendre avec une expérimentation intelligente et une modélisation informatique perspicace », a-t-il déclaré. « En montrant que différents degrés de friction entre les doigts modifient les performances élastiques du bouton-poussoir, ils ont ouvert la porte à la découverte de ces principes qui fonctionnent dans d’autres organismes, et à la découverte de ce mécanisme souple, sophistiqué et ajustable dans des systèmes techniques tels que z comme des robots bio-inspirés. »

Les chercheurs pensent que les résultats ouvrent une myriade de possibilités pour de futures études, notamment pour comprendre pourquoi les humains se cassent en premier lieu et si les humains sont les seuls primates à avoir développé cette capacité physique.

« Basé sur l’art grec ancien datant de 300 avant JC » C’est le seul projet scientifique de mon laboratoire où nous pourrions claquer des doigts et obtenir des données.  »


Une nouvelle loi de la physique aide les humains et les robots à saisir la friction du toucher


Plus d’information:
Le claquement de doigt ultra-rapide est véhiculé par frottement cutané, Journal de la Royal Society Interface (2021). DOI : 10.1098/rsif.2021.0672. rsif.royalsocietypublishing.or… .1098 / rsif.2021.0672

Fourni par le Georgia Institute of Technology

Citation: Inspirés par les arts, les chercheurs notent que le claquement de doigt a la plus forte accélération par le corps humain (2021, 16 novembre), consulté le 16 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11 -art-finger-snap-high-people.html

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