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?cè)谧ト∥矬w時(shí)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(wú)關(guān)嘛?！?/span>

是這樣嗎？

答案遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。初中的摩擦力定律并不完全適用于指紋的情況?，F(xiàn)實(shí)情況是：對(duì)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(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，塑造了手指的摩擦力。

復(fù)雜的摩擦力

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Warman等研究者曾進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)有關(guān)手指摩擦力的實(shí)驗(yàn)[1]。實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)量了志愿者手指與一塊干燥有機(jī)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(xué)的不一樣？

對(duì)于橡膠等彈性體來(lái)說(shuō)，初中時(shí)學(xué)習(xí)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(gè)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(chē)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(shí)是的。這里的“光滑”指真實(shí)世界的光滑，而不是初中物理題中沒(méi)有摩擦力的光滑。

Warman等人的實(shí)驗(yàn)還得出了一個(gè)推論：在接觸玻璃這樣的光滑物體時(shí)，凹凸的指紋會(huì)減少指尖與物體的實(shí)際接觸面積，導(dǎo)致手指與物體間的摩擦變小。

咦？不對(duì)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(xué)家們?yōu)檫@個(gè)問(wèn)題爭(zhēng)論了很長(zhǎng)時(shí)間。有學(xué)者指出，Warman等人的實(shí)驗(yàn)推論忽略了一項(xiàng)重要因素：接觸面濕度。

在其他研究指紋功能的實(shí)驗(yàn)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(huì)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸增加[2]。

摩擦力的逐漸增加是由濕度變化導(dǎo)致的：我們的指紋上密布著汗腺，達(dá)到了每平方厘米內(nèi)530個(gè)。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(rùn)狀態(tài)下能夠清晰看到指紋上的汗腺（白點(diǎn)）。圖D：指紋切面圖，小彈簧形狀的白線就是汗腺。[3]

聽(tīng)起來(lái)似乎哪里不對(duì)：出汗難道不會(huì)讓手指更滑嗎？怎么反倒能增加摩擦？

最近，英國(guó)伯明翰大學(xué)Michael J.Adams與韓國(guó)Seoung-Mok Yum等一些學(xué)者一起，通過(guò)實(shí)驗(yàn)回答了這個(gè)問(wèn)題。

他們測(cè)量對(duì)比了身體不同部位與干燥有機(jī)玻璃接觸時(shí)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(dá)、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(gè)值；而“平滑皮膚”雖然汗腺更少，卻源源不斷地分泌著汗液，導(dǎo)致接觸表面的濕度持續(xù)攀升。

不同部位皮膚濕度隨時(shí)間的變化。氪羅鋇路斯譯。 [4]

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

這些實(shí)驗(yàn)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(dāng)指尖與其它光滑表面接觸時(shí)，汗腺分泌的汗液導(dǎo)致手指與接觸表面貼合更緊。緊密貼合反過(guò)來(lái)阻塞了汗腺，讓它無(wú)法繼續(xù)分泌。通過(guò)這種濕度平衡調(diào)控，手指完美達(dá)成了摩擦最大化。

換句話說(shuō)，指紋上的紋路與汗腺一起，通過(guò)默契配合，增加了手指對(duì)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(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(lái)就很多了呢？難道黃歷上整個(gè)夏天都寫(xiě)著“忌玩手機(jī)”？

放心，指紋已經(jīng)安排好了一切。

研究人員還測(cè)量了不同身體部位與濕潤(rùn)有機(jī)玻璃接觸時(shí)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(méi)有發(fā)生變化。

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

與干燥有機(jī)玻璃的實(shí)驗(yàn)對(duì)比之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，不管初始條件是濕潤(rùn)還是干燥，手指接觸點(diǎn)的濕度都可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到同一穩(wěn)定值。處在這個(gè)濕度時(shí)，摩擦力達(dá)到了最大。

不同部位濕度和摩擦系數(shù)隨時(shí)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?rùn)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(guò)毛細(xì)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(lái)，手指就像一套高效的濕度控制系統(tǒng)，通過(guò)汗腺的開(kāi)關(guān)和指紋的配合，既能在干燥的時(shí)候及時(shí)增加濕度，從而增加手指摩擦力；又能夠防止汗液積累過(guò)多，造成“手滑”。

雖然指紋確實(shí)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(xiàn)

[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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