指を鳴らすのはプロのアスリートにふさわしい動きだ

アベンジャーズ映画を見たことがあれば、次のような科学的な疑問が浮かんだことがあるかもしれません。アイアンマンのスーツは存在するのか？タイムトラベルは本当なのか？ブルース・バナーの体にはなぜストレッチマークがないのか？ある物理学者グループにとって、それは次のような疑問を引き起こしました。指パッチンの物理的原理とは？この疑問は、アベンジャーズ/インフィニティ・ウォー（2018）で悪役サノスが強力なインフィニティ・ガントレットを装着しながら指を鳴らしたときにまさに浮かび上がりました。インフィニティ・ガントレットのような頑丈な装備を装着しながら、実際に指をパッチンすることはできるのでしょうか？

ジョージア工科大学化学・生体分子工学部とハーベイ・マッド・カレッジの好奇心旺盛な物理学者たちは、火曜日にジャーナル・オブ・ザ・ロイヤル・ソサイエティ・インターフェースに研究結果を発表し、インフィニティ・ガントレットなしでも指パッチンがいかに強力であるかを明らかにした。実際、研究者たちは、この動きが人間で観測された中で最も高い回転加速度を生み出すことを発見した。これはメジャーリーグの投手の腕の約3倍の速さである。そして、この高い回転加速度を可能にしている主役は、摩擦である。

「『ああ、160万度/秒に達している、すごい。これは実に非常に速い瞬間だ』というようなデータが得られます」と、この研究を監督したジョージア工科大学の教授、サード・バムラ氏は言う。「どのようにしてこれほどの極度の加速を生み出せるのかを調査する必要があります」

回転加速度は、物体が動く速度だけでなく、物体が描く弧も考慮します。たとえば、ピッチャーの腕は弧を描きますが、回転加速度はその弧の始点と終点の角度を考慮します。スナップは大したことではないように思えるかもしれませんが、驚くほど速いのです。スナップにはわずか 7 ミリ秒しかかかりませんが、まばたきにはゆっくりと 150 ミリ秒かかります。その回転加速度は 1 秒あたり 160 万度に達しました。つまり、中指が素早く描く小さな弧は、1 秒あたり 160 万度の角度をカバーしていることになります。

研究チームの論文で説明されているように、親指と中指を引き寄せる動作から、スナップ後に指が緩むまでの動作全体が、手を物理的なシステムに変える。つまり、スナップを生成するための手のすべての部分が独立して動作しながらも、機械の部品のように連携して機能するのだ。手はラッチ介在バネ作動（LaSMA）システムになる。これらのシステムは、非常に小さな規模で膨大なエネルギーを生成できる。モーターが位置エネルギーをバネシステムに取り込み、バネシステムはラッチで所定の位置に保持される。ラッチが解放されると、バネとラッチの間に蓄えられた位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、爆発的な超高速動作が生じる。シャコやアオアリなどの他の生物も、スナップ動作を可能にするLaSMAシステムを持っている。人間のスナップは強力だが、他の生物のスナップ動作に比べると見劣りする。

研究チームは、LaSMA システムをスナップする手にマッピングしました。腕の筋肉がモーターとして機能し、位置エネルギーを指の腱に送り込み、それがバネになります。ラッチは親指または中指だけで行われるのではなく、中指の先と親指の先の間の皮膚摩擦によって行われます。この摩擦​​はスナップの力学において二重の役割を果たしており、ラッチを作成すると同時にラッチが外れるのを妨げます。スナップ前のその位置で親指と中指を一緒に保持すると、指先が緊張した状態になり、位置エネルギーが手首と指の関節から絞り出されるのを感じることができます。

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親指と中指を十分な力で反対方向に動かすことで、一時的に指をくっつけている皮膚の摩擦を克服し、指の腱に蓄えられたすべての位置エネルギーが運動エネルギーとして爆発します。中指は手のひらの底まで推進され、衝撃を受けてスナップ音を生み出します。まさにその通りです。

バムラ氏のチームは、指先間の摩擦や圧縮性など、このシステム内の変数を調査した。彼らは、ハンドローションでぬるぬるした指先で、またラテックス手袋や金属指ぬき（インフィニティ・ガントレットの指先に最も近い地球上の類似物）などの抑制剤をはめた状態で、指を鳴らしてみることにした。

「このゴルディロックスゾーンが必要なのは、摩擦が少なすぎると十分なエネルギーを蓄えることができないからです」とバムラ氏は言う。「しかし、摩擦が高すぎると、お互いに滑り合うというダイナミックな動きが依然として必要になります。」

これはチームにとってお気に入りのプロジェクトでしたが、彼らの観察は物理学と工学の交差点にあります。たとえば、濡れた指先でスマートフォンのロックを解除しようとしたことはありますか? 摩擦が果たす役割を調べることは、材料科学や私たちが毎日手にする物にも影響を与える可能性があります。

「指をパチンと鳴らす動作は、非常に速くて極端な動作であり、指の腹の限界を垣間見ることができます」とバムラ氏は言う。

まだスナップの仕方がわからないのなら、バムラ氏にできることはあまりない。スナップを完璧にする方法を尋ねられたとき、彼は彼自身の質問で答えた。「なぜ人間はスナップできるのか？進化論的な生物学的機能とは何なのか？」親指を対向させる他の生物がスナップできるかどうかはまだ分からないが、それが次のパズルのピースになるかもしれない。