新解答：泡水之後，為何手指頭上會出現皺摺？

不少影視作品，善用水滴暗喻流淚。離散的場面哀戚，暗夜裡風雨飄搖。雨絲打在窗上，衝擊著觀眾敏感的心。主觀鏡頭宛如主角的目光，透過玻璃望向遠方。可是任誰都無法忽略，前景那一顆在表面移動的雨滴，默默地、緩緩地滑到一半，止住了。雨過天晴，窗外的玫瑰花瓣托著晨露，晶瑩剔透，水珠怎麼飽滿，也沒溜下來。如此揪心的情緒渲染，倘若換作荷葉或鐵氟龍鍋具，效果肯定蕩然無存。稍稍傾斜，便把持不住一滴，三兩下流得乾乾淨淨，不著痕跡。於是，被騙得一把鼻涕一把淚的觀眾，拭乾雙眼，體會刻骨銘心：摩擦力大的表面，即使垂直，水滴也可能攀附；摩擦力小，則些微的斜度，就會流失水滴。^[1]

接觸線摩擦力

想留住水滴，就如同要挽回即將離去的戀人，免不了得談客觀條件。芬蘭阿爾託大學（Aalto University）和于韋斯屈萊大學（University of Jyväskylä）合作的團隊，在《自然化學》（Nature Chemistry）期刊上，介紹新創塗料時，列出下面 4 個影響水滴流動的要素：^[1]

1. 接觸線摩擦力（contact line friction）：受到水滴的大小、表面張力、接觸面的形狀，以及水滴後退角（receding contact angle）與前進角（advancing contact angle）（如下圖）的差距所影響。接觸線摩擦力是這裡羅列的項目中，唯一會導致靜摩擦力（static friction），^[1]阻礙移動發生的力量。^[2]接下來的幾個，都是在水滴已經開始移動後，才會出現。^[1]
2. 黏滯耗散（viscous dissipation）：流動的過程中，其黏性將部份動能，不可逆地轉換成熱能。^[3]
3. 氣阻（air resistance）：通過氣體的時候，氣流對其表面產生的阻力。^[4]
4. 靜電力（electrostatic forces）：某些物體相互摩擦後會帶電，因而有推或拉的力量。^[5]當水滴在疏水性的表面上移動，引發電荷分離（charge separation），水滴通常帶正電，該表面則帶負電。靜電力對斜面上水滴下滑速度的影響，甚至可以超過重力。^[6]

水滴對固體表面的依附，使它處處惹人嫌。比方說，在汽車的擋風玻璃，以及先進駕駛輔助系統的鏡頭上，會妨礙視線，干擾行車安全。^[7]常言道：「所有感情問題，一律建議分手。」研究團隊想利刀斬孽緣，則所開發的塗料，要能有效減少物體表面的接觸線摩擦力，使水滴在上頭「站不住腳」。過往的研究認為，關鍵是降低形貌或化學的異質性。^[1]

開發新塗料

研究團隊調節時間、溫度和水份等變因，讓疏水性的辛基三氯矽烷（octyltrichlorosilane），在親水性的二氧化矽（SiO₂）板上，自然「生長」成自組裝單層膜（self-assembled monolayer）。^[1]無論這層膜在矽板上的密度低，也就是表面大多都是二氧化矽；或者密度高，即辛基三氯矽烷佔多數，都可以視為異質性低的情形。反之，若表面密度中等，則異質性高。理論上，異質性低對削弱接觸線摩擦力有幫助，但是研究團隊認為塗料密度低的時候，表面親水性過高，效果可能不彰。^{[1, 8]}

然而實驗結果有些出乎意料：當這層膜在矽板上的表面密度較低，水竟然自由地於塗料的分子間流動，很容易滴落；而表面密度高時，水則停留在塗料上面，也可以輕易滑下來。唯有介於兩者之間，水才會緊巴著矽板。^{[1, 8]}

防潑水塗料的用途

芬蘭研究團隊的成品，應該是目前全世界最滑溜的塗料，防潑水的能力超級好。^[8]麻煩的是厚度太薄，耐用性有待提升。將來如果成功改善，有望廣泛運用於除冰、抗霧、暖氣管線等諸多方面。^{[1, 8]}

參考資料

1. Lepikko S, Jaques YM, Junaid M, et al. (2023) ‘Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale’. Nature Chemistry.
2. Müser MH. (2008) ‘How static is static friction?’. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(36):13187-8.
3. Malik MY, Hussain A, Salahuddin T, et al. (2016) ‘Effects of viscous dissipation on MHD boundary layer flow of Sisko fluid over a stretching cylinder’. AIP Advances, 6, 035009.
4. Oxford University Press. ‘Air Resistance’. Oxford Reference. (Accessed on 27 OCT 2023)
5. ‘Electrostatics: A non-contact force’. (31 DEC 2018) Department of Education, Victoria State Government, Australia.
6. Díaz D, Li X, Bista P, et al. (2023) ‘Self-generated electrostatic forces of drops rebounding from hydrophobic surfaces’. Physics of Fluids, 35(1):017111.
7. Hodgson G, Passmore M, Skarysz M, et al. (2021) ‘Contact angle measurements for automotive exterior water management’. Experiments in Fluids, 62, 119.
8. ‘Researchers create the most water-repellent surface ever’. (23 OCT 2023) Aalto University, Finland.

溫度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺，但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場，駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑（racingline）—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進，而是「夾著」彎道的內側，稱為彎頂點（apex，即過彎路線中最接近彎道內側的點）的地方，以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車：要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時，駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置，且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車；而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里（2 哩多），是F1 賽程中最短的賽道，但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博（Brembo）指出，2019 年賽季中，駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒，多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處，汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里（185 哩）減至 89 公里（55 哩）；這會將大量動能快速轉換成熱能，難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載，製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積，比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時，可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心，把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點，這些F1 煞車碟盤相當輕，重量約各為1 公斤（2.2 磅），相較之下，差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤（33 磅） 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢？有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元（約 1500 英鎊） ，而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久，通常每次比賽後就得更換。最後，它們受限於一定的工作溫度，只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時，它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久，則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的，「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時，煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快，簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車，但是就跟 F1 的大部分狀況一樣，沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量，所以你可以想像管子愈粗愈好。

但是如 F1 傳奇工程師帕特．西蒙茲（PatSymonds）告訴《賽車工程》（Racecar Engineering）雜誌的，冷卻有其後果：「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道，我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管，會犧牲 1.5％的空氣動力學效率，這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我，在奧斯頓馬丁 F1 車隊中，他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶，和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像，主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害；每次煞車作動，兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間，這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說，會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」，或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜（tribofilm）這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力，摩擦膜非常有影響力，」英國里茲大學（University of Leeds）的沙赫里爾．柯沙利（Shahriar Kosarieh）說。

「我們把這層膜視為『第三體』，因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成，其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現，無論煞車片是什麼材質，形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵（Fe3O4）控制，其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱，且能減少摩擦力—它會主導性能，」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點，調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配，才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料，就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現，這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著，主要是因為汽車的重量愈輕，消耗的燃料就愈少，環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬，約比灰鑄鐵（grey cast iron）還低 2.5 倍，所以減輕重量的可能性很高，」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高，在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言，這代表摩擦力突然銳減，也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法，既能讓表面有比較好的熱穩定性，使用壽命又能更持久。」

對柯沙利而言，最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化（plasmaelectrolytic oxidation, PEO），這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時，發現有些可以撐過約 550℃。不過，許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤，那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究，結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片，但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法，從那時候起就沿用至今：一種稱為碳－碳（carbon-carbon）的材料，在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好，所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似，但其實是非常不一樣的猛獸。

製造碳－碳很緩慢且複雜，此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出，提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍（在其理想工作溫度範圍內）。但是那並非魔法。在競速的壓力之下，這種材料終究會磨耗殆盡，部分是由於摩擦，但也有化學方面的因素。溫度上升時，碳－碳會與空氣中的氧氣產生反應，而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵，這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說，他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器，可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係，以及對煞車碟盤的磨耗程度，車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快，我們可以調整煞車平衡，以免磨耗最高的車輛壽終正寢，或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做，目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道，這些系統，當然還有駕駛，都表現卓越。

——本文摘自《黏黏滑滑》，2022 年 11 月，晨星出版，未經同意請勿轉載

• 本文轉載自超中二物理宅，原文為〈人體的哪個部位、做哪個動作的時候，速度最快呢？〉

人體的哪個部位做起特定動作時會最快呢？

如果你的回答是「眨眼」，那就錯了，雖然文學上的確是以「一眨眼」、「一瞬間」來形容速度很快或是時間很短暫……但答案是手指。（喂，想到奇怪的方面的人，自己去牆角罰站！）

除了「一眨眼」、「一瞬間」之外，類似的詞還有一個：「一彈指間」。

答案就是「彈指」這個動作。

「彈指」僅耗時0.007秒，比眨眼還快20倍！

科學家發現，拇指跟中指互相卡住的「集氣」時間不算，從中指開始動，到中指打到手掌的拇指指根處，算是一次彈指，歷時只有 7 毫秒，也就是 0.007 秒，而眨一次眼睛的時間是 150 毫秒。也就是說，「一瞬間」的時間比「一彈指」長了 20 倍。

人類從很久以前就會做這個動作，古代經常是樂師或是舞者用來打拍子，維持音樂或舞蹈的節奏。例如一個希臘時代的壺，上面就有牧羊神潘恩一邊跳舞一邊彈指的圖畫。在武俠小說的世界中，「彈指」也是很厲害而且極具魅力的招數，像是古龍的「楚留香」，金庸的「黃藥師」。

近年來最有名的彈指，當然就是「復仇者聯盟」中，一彈就可以消滅全宇宙半數生命的「薩諾斯的彈指」。在 2018 年的「無限之戰」上映時，電影院中坐著一個男人：喬治亞理工學院（Georgia Tech）的 Saad Bhamla 教授。

利用4千fps的高速攝影，探究「彈指動力學」！

回到研究室中的教授，跟研究生討論電影劇情時，發生了爭論，因為教授認為「薩諾斯戴上看起來是金屬材質的無限手套後，摩擦力太小無法彈指」。理由是，在「聚氣」的過程中，拇指與中指之間必須有足夠的摩擦與彈性，才能累積足夠的能量，然後在彈指發動的那一刻（我本來要寫「瞬間」，不過瞬間慢了 20 倍，太久了）把彈力位能釋放出來。金屬材質的話，摩擦力不夠，一下子就滑開了。

於是 Bhamla 教授跟學生就決定對「彈指的動力學」展開研究，他們利用每秒可以拍攝 4082 幅的高速攝影機拍下彈指的連續動作，發現此過程中，中指的運動是以指根為軸的轉動，其「角速度」可以達到每秒 7800 度，一個圓周是 360 度，也就是每秒 22 轉——當然中指不會真的轉圈圈，大約轉 54 度，不到 1/6 圈就被手掌擋住了。

由於從靜止加速到每秒 7800 度、再減速到靜止的整個過程只花了 7 毫秒的時間，瞬間「角加速度」高達 160 萬度每秒平方，實在是非常驚人的數字。

他們也戴上不同材質的指套進行實驗，其中一個是金屬製的「頂針」（裁縫師傅用的指套，用來保護手指不被刺傷，上面有許多小凹槽，也可以用來推針），戴上這個東西後，果然就因為摩擦力不足無法打響彈指。但也不是摩擦力越大越好，乳膠指套因為摩擦力太大，蓄積的能量一下子就被熱能耗散掉了，也快不起來。

所以這個研究的結論是：「薩諾斯你演錯了！無限手套不能用金屬製品啦！」

拍電影要小心，不要被物理學家抓包……

這個研究，於 2021 年 11 月 17 日發表在英國皇家學會的《Journal of the Royal Society Interface》期刊。

附帶一提，雖然「人類的彈指」看起來已經很厲害，不過比起「吸血鬼螞蟻」（Dracula ant）的下顎還差得遠，角速度可以達到每秒 2 億 4 千萬度（每秒 67 萬轉），角加速度更高達 15000 兆度每秒平方，這個數字真是難以想像是生物能做到的動作……

參考資料

• GeorgiaTech. `Oh, snap!’ A record-breaking motion at our fingertips. Retrieved from https://www.eurekalert.org/news-releases/934621
• Acharya, R., Challita, E. J., Ilton, M., & Bhamla, M. S. (2021). The ultrafast snap of a finger is mediated by skin friction. Journal of The Royal Society Interface. doi:10.1098/rsif.2021.0672

手指上的皺摺為何會出現？這個問題每到冬天，在下家中的小孩在泡澡後一定會問到，那些主張手指頭上的皺摺是因為吸收水分的關係，真是如此嗎？

任何在雨中呆太久，或是在水裡泡了好幾個小時的人，都知道手指或腳指會出現皺摺的現象，一般的說法，都說皺摺是因為皮膚吸收水分造成的。這樣的說法讓科學家有許多的疑問：

• 為何只有手或腳會產生這樣的皺摺？
• 以及為何這樣的皺摺只會出現在指頭的末端？

一直以來，外科醫生都知道只要切斷手指末端的神經，就能避免產生皺摺，這指出皺摺的形成是由神經系統所控制，最新發佈在「大腦、行為，與演化期刊 (journal Brain, Behavior and Evolution)」 的報告，提供了更多的證據指出皺摺的形成有其特殊的目的。

在這項研究中，演化神經生物學家及參與研究的學者檢視了來自於 13 隻手，28 個手指上的皺摺。學者們發現，這些手指的皺摺都有共同的形態，一種放射狀不相連的水道形態 (unconnected channels) 。且越接近指梢相距越遠–就如同輪胎上的紋路一樣，皺摺可以增加 「(靜) 摩擦力」。

這樣的皺摺讓手指末端在接觸潮溼的表面時，可幫助排水，讓手指有更大的接觸面積及更容易緊握。

接下來的研究計畫將更進一步的專注於這樣的皺摺是否能提供更好的緊握力，及是否住在潮溼地區的哺乳類動物比較容易形成皺摺。目前這樣的皺摺僅被證實出現在人類及獼猴身上。

真相是皺摺的形成或許有其特殊意義：為了提供更好地緊握力及摩擦力，而非皮膚吸收過多水分造成的現象。

資料來源：
Really? The Claim: Fingers Wrinkle Because of Water Absorption-New York Times
Why do fingers and toes wrinkle in the bathtub?

研究論文 :
Are wet-induced wrinkled fingers primate rain treads? 
Mark Changizi, Romann Weber, Ritesh Kotecha, Joseph Palazzo

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20111006 更新：阿簡老師針對這篇文章以及原文報導提出質疑，請大家一定要看！