Вчені розкрили фізику плескання долонями

Звичайне плескання долонями виявилося набагато складнішим фізичним явищем, ніж здавалося раніше. Команда вчених з Корнельського університету під керівництвом професора біологічної та екологічної інженерії Санні Юнга провела детальне дослідження механізмів, що створюють характерний звук плескання.

Ідея дослідження народилася у професора Юнга після перегляду фільму «Люди Ікс: Остання битва» 2006 року, де мутант створював ударні хвилі плесканням долонь. Це викликало цікавість щодо того, як насправді поширюються хвилі при плесканні рук.

Результати багаторічного дослідження, опубліковані у журналі Physical Review Research, показали, що плескання долонями є мініатюрним вибухом фізичних процесів, що включає резонансні повітряні порожнини, струмені повітря, зіткнення м'яких матеріалів та потенційні біометричні відбитки.

Всупереч поширеній думці, звук плескання створюється не просто ударом шкіри об шкіру. «Це стовп повітря, який штовхається струменем повітря, що виходить з порожнини руки, спричиняє збурення в повітрі, і це той звук, який ми чуємо», пояснює Ікон Фу, докторант Корнельського університету та провідний автор дослідження.

Коли дві руки з'єднуються разом — чи то зігнуті чашечкою, плоскі або долоня до пальців — вони захоплюють невелику бульбашку повітря між собою. При ударі це повітря змушене проходити через вузький отвір для виходу, зазвичай щілину біля великого та вказівного пальців. Раптове вивільнення створює ударну хвилю повітря, яка резонує подібно до звуку, що утворюється при дмуханні через горлечко пляшки.

Це явище, відоме як резонанс Гельмгольца, лежить в основі тону плескання долонями. «Ми підтвердили як експериментально, так і обчислювально, що резонатор Гельмгольца може передбачити частоту плескання людських долонь», зазначив Фу.

Для перевірки своїх ідей команда створила м'які силіконові копії рук — деякі жорсткіші, деякі м'якші — та оснастила їх датчиками тиску, мікрофонами та високошвидкісними камерами. Потім вони провели серію контрольованих плескань.

Дослідження показало, що тон плескання значною мірою залежить від форми руки та розміру порожнини. Зігнуті чашечкою руки захоплюють більше повітря, створюючи нижчий, глибший звук. Плоскі долоні створюють вищі частоти. Плескання долонями, по суті, стає індивідуальним музичним інструментом — кожна людина налаштовує свою власну ноту за допомогою плоті та руху.

«Це фундаментальний принцип музичного інструмента», пояснив Юнг. «Залежно від розміру порожнини та довжини отвору горлечка, ви створюєте різний звук — ми показали, що це також застосовується до плескання долонями».

Дослідники пішли ще далі, виявивши другий звуковий режим у плесканні: той, що створюється канавками між пальцями, які діють як маленькі відкриті труби. Вони створюють звуки вищої тональності, додаючи ще один шар акустики.

Звук плескання також несе унікальну сигнатуру. «Плескання кожної людини має різний звук, різну частоту та різний резонанс», сказав Гоцін Лю, співавтор та дослідник з Університету Міссісіпі. Команда вважає, що цю варіацію можна використовувати для ідентифікації.

«Плескання долонями насправді дуже характерна річ», додав Фу. «Оскільки ми маємо різні розміри рук, техніки, різні текстури шкіри та м'якість — все це призводить до різних звукових характеристик. Тепер, коли ми розуміємо фізику цього процесу, ми можемо використовувати звук для ідентифікації людини».

Один зі студентів Юнга вже тестує, чи можна використовувати плескання для відмічання присутності в аудиторіях. Теоретично ваше плескання могло б функціонувати як відбиток голосу або відбиток пальця — звукова біометрія.

Але якщо плескання долонями схоже на резонуючу камеру, чому воно не звучить довше? Відповідь криється в біології. На відміну від жорстких стінок скляної пляшки, наші руки м'які, еластичні та перебувають у постійному русі. Після удару м'які тканини поглинають енергію, швидко гасячи коливання.

«Коли в матеріалі більше вібрації, звук затухає набагато швидше», пояснив Фу. Дослідження показало, що м'якіші руки створюють звуки, що швидше затухають. І навпаки, більш сильне плескання або форма, що робить руки жорсткішими, генерує гучніше, довготриваліше плескання.

Команда Юнга бачить широкі застосування попереду — від навчання музики до біометричної ідентифікації. Результати також натякають на те, як інші організми або навіть синтетичні руки можуть використовувати повітряні порожнини та гнучкі поверхні для створення звуку.

Для Юнга все почалося з питання. «Це почалося з бажання зрозуміти щось, що я бачив і що ми робимо щодня», сказав він. «Коли я щось бачу, я намагаюся поставити питання, чому це відбувається».

Ця проста цікавість привела до складної відповіді: наступного разу, коли ви плескатимете долонями, ви не просто створюватимете шум — ви граєте на інструменті, що працює на фізиці та налаштований еволюцією.