« Oh, craquez ! » Un mouvement record à portée de main —


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  • Le claquement d’un doigt a été représenté pour la première fois dans l’art grec ancien vers 300 avant JC Aujourd’hui, ce même claquement initie des forces maléfiques pour le méchant Thanos dans le dernier film de Marvel. Vengeurs film. Les deux médias ont inspiré un groupe de chercheurs du Georgia Institute of Technology pour étudier la physique d’un claquement de doigt et déterminer comment la friction joue un rôle essentiel.

    En utilisant une quantité intermédiaire de friction, ni trop élevée ni trop faible, un claquement de doigt produit les accélérations de rotation les plus élevées observées chez l’homme, même plus rapidement que le bras d’un lanceur de baseball professionnel. Les résultats ont été publiés le 17 novembre dans le Journal de la Royal Society Interface.

    La recherche a été dirigée par un étudiant de premier cycle à Georgia Tech, Raghav Acharya, ainsi que par le doctorant Elio Challita, 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 éclairer la conception de prothèses destinées à imiter les capacités étendues 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 des dernières années, j’ai été fasciné par la façon dont nous pouvons claquer des doigts”, a déclaré Bhamla. “C’est vraiment un casse-tête physique extraordinaire à portée de main qui n’a pas été étudié de près.”

    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 naturellement au snap. Il postule que les organismes dépendent de l’utilisation d’un ressort et d’un mécanisme de verrouillage pour stocker de l’énergie, qu’ils peuvent ensuite libérer rapidement.

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

    Mais serait-il possible de casser tout en portant un gantelet d’armure, ont demandé les chercheurs ? Dans le cas d’un claquement de doigt, ils soupçonnaient que le frottement de la peau jouait un rôle plus important par rapport aux autres systèmes à ressort et à loquet. Avec les propriétés de friction d’un gantelet en métal, ils ont imaginé que cela pourrait être impossible.

    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 une variété de claquements de doigts. Ils ont exploré le rôle de la friction en recouvrant les doigts de différents matériaux, y compris des dés à coudre métalliques pour simuler les effets d’essayer de claquer tout en portant un gantelet métallique, un peu comme Thanos.

    Pour un claquement ordinaire à 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, qui proviennent des bras des joueurs de baseball professionnels lors de l’acte de lancer. Cependant, l’accélération instantanée est l’accélération angulaire humaine la plus rapide jamais mesurée, 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 les mouvements ultrarapides dans une variété de systèmes vivants, des cellules individuelles aux insectes. “Le claquement de doigt se produit en seulement 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 dés à coudre métalliques, leurs vitesses de rotation maximales diminuaient considérablement, confirmant les intuitions des chercheurs.

    “Nos résultats suggèrent que Thanos n’aurait pas pu craquer à cause de ses doigts blindés en métal”, a déclaré Acharya, premier auteur de l’étude. “Donc, ce sont probablement les effets spéciaux d’Hollywood, plutôt que la physique réelle, en jeu ! Désolé pour le spoil.”

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

    “La compression de la peau rend le système un peu plus tolérant aux pannes”, a déclaré Challita, co-auteur de l’ouvrage. “La réduction de la compressibilité et de la friction de la peau rend beaucoup plus difficile l’accumulation de suffisamment de force dans vos doigts pour qu’ils claquent réellement.”

    Étonnamment, l’augmentation de la friction du bout des doigts avec des revêtements en caoutchouc a également réduit la vitesse et l’accélération. Les chercheurs ont conclu qu’une zone de friction Boucle d’or était nécessaire : trop peu de friction et pas assez d’énergie étaient stockées pour alimenter le claquement, et trop de friction entraînait une dissipation d’énergie car les doigts mettaient plus de temps à glisser l’un sur l’autre, gaspillant l’énergie stockée. en chaleur.

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

    “Nous avons inclus un contact de friction doux dans notre modèle mathématique, et les résultats ont renforcé le rôle central joué par la friction dans la réalisation de mouvements ultrarapides”, 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 bioinspirés pour des applications d’ingénierie.”

    John Long, directeur de programme à la division des systèmes d’organismes intégratifs de la National Science Foundation, supervise la recherche dans le programme de mécanismes physiologiques et de biomécanique, qui finance actuellement les enquêtes de Bhamla sur les comportements ultrarapides chez les animaux.

    “Cette recherche est un excellent exemple de ce que nous pouvons apprendre avec des expériences intelligentes et une modélisation informatique perspicace”, a-t-il déclaré. “En montrant que divers degrés de friction entre les doigts altèrent les performances élastiques d’un claquement, ces scientifiques ont ouvert la porte à la découverte des principes opérant dans d’autres organismes et à la mise en œuvre de ce mécanisme dans des systèmes d’ingénierie tels que les robots bioinspirés.”

    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 les comportements ultrarapides chez les animaux.

    “La recherche du Dr Bhamla et de ses collègues est un excellent exemple de ce que nous pouvons apprendre avec des expériences intelligentes et une modélisation informatique perspicace”, a-t-il déclaré. “En montrant que divers degrés de friction entre les doigts altèrent les performances élastiques du bouton-pression, ils ont ouvert la porte à la découverte de ces principes opérant dans d’autres organismes et à la mise en œuvre de ce mécanisme souple, sophistiqué et réglable dans des systèmes tels que comme des robots bio-inspirés.”

    Les chercheurs pensent que les résultats ouvrent une variété d’opportunités pour de futures études, notamment pour comprendre pourquoi les humains craquent du tout et si les humains sont les seuls primates à avoir développé cette capacité physique.

    « Sur la base de l’art grec ancien de 300 avant JC, les humains ont peut-être très bien claqué des doigts pendant des centaines de milliers d’années auparavant, mais nous commençons seulement maintenant à l’étudier scientifiquement », a déclaré Bhamla. “C’est le seul projet scientifique de mon laboratoire dans lequel nous pourrions claquer des doigts et obtenir des données.”

    Vidéo sur le claquement de doigts : https://www.youtube.com/watch?v=ycfLurEqmj4

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    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

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