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来源：中国物理学会期刊网

指纹有什么作用？

“凹凸不平的指纹增加了指尖的粗糙度，让我们在抓取物体时更加牢固。毕竟摩擦力与物体表面粗糙程度有关，与接触面面积无关嘛。”

是这样吗？

答案远没有这么简单。初中的摩擦力定律并不完全适用于指纹的情况。现实情况是：对于手指而言，手指的摩擦力的确与接触面积有关。

手指的摩擦力不仅与接触面相关，还和指尖湿度相关，其背后是指纹的沟壑和丰富的汗腺构成的一套复杂的调节系统，塑造了手指的摩擦力。

复杂的摩擦力

英国曼彻斯特大学的Warman等研究者曾进行过一项有关手指摩擦力的实验[1]。实验中，研究人员测量了志愿者手指与一块干燥有机玻璃板间的接触面积与摩擦力，并发现二者成正比——接触面积越大，摩擦越大。

咦？怎么和初中学的不一样？

对于橡胶等弹性体来说，初中时学习的摩擦力定律并不成立，弹性体的摩擦力与接触面表面积相关，也与两个物体间的贴合程度相关。

弹性体可以形成粘附摩擦力，这可以帮助壁虎紧紧地粘在墙上，也可以让F1赛车的轮胎牢牢抓住路况良好的干燥路面。

壁虎脚趾丨©图虫创意

我们的手指属于弹性体吗？

至少在与光滑表面接触时是的。这里的“光滑”指真实世界的光滑，而不是初中物理题中没有摩擦力的光滑。

Warman等人的实验还得出了一个推论：在接触玻璃这样的光滑物体时，凹凸的指纹会减少指尖与物体的实际接触面积，导致手指与物体间的摩擦变小。

咦？不对劲，指纹的存在怎么反而降低了摩擦力？

出汗是为了增加摩擦力

科学家们为这个问题争论了很长时间。有学者指出，Warman等人的实验推论忽略了一项重要因素：接触面湿度。

在其他研究指纹功能的实验中，人们观察到，如果用干燥的手指接触光滑不透水的物体表面，手指与物体间的摩擦力会在一段时间内逐渐增加[2]。

摩擦力的逐渐增加是由湿度变化导致的：我们的指纹上密布着汗腺，达到了每平方厘米内530个。在指尖与光滑表面接触后，汗腺分泌的汗液则能软化手指角质层，让手指皮肤与物体表面贴合更紧，从而增大二者之间的摩擦。

图C：手指湿润状态下能够清晰看到指纹上的汗腺（白点）。图D：指纹切面图，小弹簧形状的白线就是汗腺。[3]

听起来似乎哪里不对：出汗难道不会让手指更滑吗？怎么反倒能增加摩擦？

最近，英国伯明翰大学Michael J.Adams与韩国Seoung-Mok Yum等一些学者一起，通过实验回答了这个问题。

他们测量对比了身体不同部位与干燥有机玻璃接触时接触面上的湿度变化。在我们的身体上，手指等粗糙皮肤处汗腺发达、表面凹凸不平，而胸口、前臂和大腿则汗腺较少、更为平滑。

与玻璃接触后，“粗糙皮肤”接触面的湿度很快稳定在一个值；而“平滑皮肤”虽然汗腺更少，却源源不断地分泌着汗液，导致接触表面的湿度持续攀升。

30倍速下的手指-干燥有机玻璃接触面水分变化摄像，黑色是水分。[4]

不同部位皮肤湿度随时间的变化。氪罗钡路斯译。[4]

接下来的摩擦力测量表明，指尖湿度稳定时，手指与玻璃间的摩擦力也达到了最大。

这些实验结果就可以帮助我们理解出汗为什么能够增加摩擦了：指尖上的汗腺分布在指纹的隆起处，当指尖与其它光滑表面接触时，汗腺分泌的汗液导致手指与接触表面贴合更紧。紧密贴合反过来阻塞了汗腺，让它无法继续分泌。通过这种湿度平衡调控，手指完美达成了摩擦最大化。

换句话说，指纹上的纹路与汗腺一起，通过默契配合，增加了手指对光滑物体的摩擦力。

指纹上的精密仪器

讲到这里，不知道你有没有发现一个的漏洞：干燥情况下，适量“出汗”能够帮助我们更好地抓握物体，那如果手上的汗液本来就很多了呢？难道黄历上整个夏天都写着“忌 玩手机”？

放心，指纹已经安排好了一切。

研究人员还测量了不同身体部位与湿润有机玻璃接触时的湿度与摩擦系数变化。

他们先用一滴液体打湿玻璃，然后让“平滑皮肤”接触玻璃，发现接触位置的湿度在几分钟之内都没有发生变化。

然后，他们又用手指接触湿润玻璃，结果接触位置的湿度快速下降，一分钟之内又达到了一个稳定值！

30倍速下的手指-湿润有机玻璃接触面水分蒸发摄像（黑色是水分） [4]

与干燥有机玻璃的实验对比之后，研究人员发现，不管初始条件是湿润还是干燥，手指接触点的湿度都可以在短时间内达到同一稳定值。处在这个湿度时，摩擦力达到了最大。

不同部位湿度和摩擦系数随时间的变化。氪罗钡路斯译。[4]

指纹上的超高密度汗腺可以使湿度快速增加，那湿润条件下，液体的飞速蒸发又是怎么做到的呢？

答案就藏在指纹的沟壑里。指纹的沟壑像一条条排水管道，可以通过毛细作用快速排出多余的水分。

研究者绘制的手指-玻璃接触面湿度调控示意图。氪罗钡路斯译。[4]

这样一来，手指就像一套高效的湿度控制系统，通过汗腺的开关和指纹的配合，既能在干燥的时候及时增加湿度，从而增加手指摩擦力；又能够防止汗液积累过多，造成“手滑”。

虽然指纹确实能够“增加摩擦力”，但增加摩擦力的方法是不是比你想象得还要炫酷呢？

参考文献

[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：氪罗钡路斯

编辑：江笑川

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