爱吱声

标题: 两根手指头捏起金砖? [打印本页]

作者: 橡树村    时间: 2012-2-25 11:07
标题: 两根手指头捏起金砖?
约翰内斯堡是个依靠黄金兴起的城市,自然会有以黄金为主题的主题公园,坐落在约翰内斯堡西南部的金矿城主题公园(Gold Reef City)索性就建立在一座废弃的金矿上。这里不仅有各式各样的游乐设施,还依据黄金开采冶炼的故事造了几个博物馆,平时也有和黄金有关的表演。这里面最吸引人的一个,就是一个叫做Gold Pour的表演。
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- V; F( K1 f" m1 ?" _8 c# }- {这个表演展示的是黄金冶炼的一个步骤。黄金在矿石中的含量很低,需要通过各种物理和化学方法精炼。初步精炼的最后一个步骤,就是把已经初步提纯的黄金熔化,浇筑在一个模子里面,铸成金砖。这个表演演示的就是这个浇筑过程。一次浇筑大约是400盎司黄金,重量差不多是12.4公斤。看着工人们从红彤彤的烘箱里面夹出烧得发亮的坩埚,把里面冒着火焰的金水浇筑在模子里面,等待稍微冷却后再把仍然发光的金子从模子里面扣出来,形成金灿灿的金砖,还是很令人兴奋的。特别是这个表演的时候,还会提醒你,现在的金价是多少钱,这些金子,虽然只有88%的纯度,一共值多少钱。看着价值几十万美元的东西就在眼前几米的地方,很少有人会不心动。5 N, f3 Q" n$ r0 }3 j, b/ w
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更刺激的在后面。表演结束的时候,工人会拿出来一块以前浇筑好的金砖(刚浇筑的那个还热着呢,不能碰),让所有观众亲手摸一下,满足观众们摸一次金砖的强烈愿望。同时,工人会向你发出挑战。看到眼前这块金砖了么?顶部长25厘米,宽7厘米,底部长接近28厘米,宽不到10厘米,高3.5厘米。这么一个黄灿灿的家伙,如果你能用拇指和食指两个手指头,从上方夹住金砖的侧面,把金砖提起来,那么,这个价值几十万美元的东西,就可以让你抱回家!去看这个表演的几乎没有不去试试的,不过传说还没有人成功过。怎么样,是不是想立刻打飞的到南非试试?不过,在订机票之前,咱需要先算算,究竟有没有这个可能。
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单臂提起二十多斤的重量对大多数人来说都不成问题,但是金砖上面没有把手,我们能用拇指和食指捏起金块吗?这是一个简单的力学问题,让我们先来做一下受力分析。
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【金砖的受力分析图】

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" J9 V: r% W' x  a如上图所示,金块受到这么几个力的作用:/ k# }) _: y3 a" v, G

  i" J5 x3 x4 m! B2 \% R$ e3 X8 a1. 竖直向下的重力G,等于金块的质量(12.4千克)乘以重力加速度ɡ(取10牛顿每千克);
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9 w7 ^. P3 J  V" y$ I; l2. 拇指和食指分别对金块两侧的压力,两边一样大,都记作N,这个力垂直于金块的侧面;
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& ^, X' e3 V  M4 ?, a) Z1 r; q& E3. 由于手指有和金块发生相对运动的趋势,但是又没有相对的滑动,金块会受到沿着侧面向上的静摩擦力f=μN,μ是手指和金块之间的静摩擦系数。4 o- T) P" O3 |2 M. q4 D1 _: {* \' t$ X

  E3 @" }' F7 v6 l将金砖侧面和底面的夹角记作θ,根据几何关系我们可以得出,竖直方向上金砖受到的合力F为(取向上的方向为正方向)3 K$ l, ]+ n7 o! V& g; I/ g

5 p' t% |. M* B* ZF=2μN sin(θ)-2N cos(θ)-G,, P  _1 i& g& a. l7 F- B; O9 F

( I/ P+ |3 H. m6 B7 P其中,第一项是两侧受到摩擦力f向上的分量的和,第二项是两个手指对金块压力N向下分量的和。这样,我们用来提起金砖而给金砖施加的压力,一部分成了对我们的阻碍。不过,只要我们施加的压力N能够使得F大于零,我们就能把金砖抱回家!% v+ L3 X0 q& ], P/ P: a
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可是,如果θ角小于某个数值的话(θ<arccot(μ)),即使不考虑重力G,第二项的贡献也会比第一项大。要真是这样的话,哪怕是项羽、李元霸、施瓦辛格或者超人来了,也不能把金砖抱走。那就太坑爹了。0 L# [6 C+ S- ~# d/ r7 x
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还好问题没有这么严重。根据问题里面的给出的上面宽7厘米、底面宽10厘米、高度3.5厘米的数字计算,θ角为66.8度,而只要μ比0.43大,第二项就不会比第一项大。金砖的标准规定了大小有一定的浮动范围 [1],实际的角度和这个数字不一定完全吻合,不过应该差别不大。人的手指和这种不太纯的黄金之间的最大静摩擦系数没有查到,实际上手和黄金的最大静摩擦系数也没有查到。不过,可以查到手指和铝的摩擦系数平均为0.6,和橡胶的摩擦系数平均为0.9,而且随着压力的增加,摩擦系数有减小的趋势[2]。因此,我们有理由相信,除非蜘蛛人出马或者偷偷往手指上抹万能胶水,手指和黄金的最大静摩擦系数应该不会超过1,比较可能的猜测是接近0.5到0.6的样子。) C1 j$ z2 V/ [

" h7 {: c! A) d根据前边的公式,我们可以算出需要的最小压力的数值为N=G/[2μ sin(θ)-2 cos(θ)]。知道了确切的尺寸和摩擦系数,我们就可以通过这个公式求出需要的最小力量。取θ角为66.8度,对应于μ取0.5~1之间的情况,我们可以求出需要的压力N,在下图里面用蓝色曲线表示。可见, N起码要一百多牛顿才可以,如果摩擦系数接近0.6甚至更低,那么力量要超过400牛顿才行。考虑到我们并不知道金砖的准确大小,对于侧面和底面夹角为70度和75度的情况(分别用紫色和褐色线表示),我们也可以求出需要的压力大小。起码来说,N要大于100牛顿才能有点把握。- O6 Q; L7 l/ O5 D( c, _, D

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【最大静摩擦系数在0.5~1之间的时候,提起金砖需要一根手指提供的压力大小】

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( \1 a  r" t* N' I不过,根据一项关于手指头力量的研究[3],这个用两指捏的动作一般人很难达到这么高的力量:对一共100名成年人测试的结果显示,男性平均能够达到大约63牛顿,标准差约为19牛顿,女性平均约是45牛顿,标准差约为14牛顿。因此,超过100牛顿的可能性是很小的。看样子,即使是最好的情况下(μ接近1),也非得锻炼到远超一般人的力量才能做到了,有心发财的童鞋们可以照着这个目标努力锻炼了。: y0 ~5 l5 W* ?) u/ U' N# M; q

5 ?5 d+ {, \: [1 f2 u可惜的是,即使理论上存在可能,这个机会也已经不存在了。虽然没有人确实成功地用两根手指夹起过金砖,但是金砖还是被人拿走了。这两块金砖在这个主题公园被演示了十多年,不知道有多少人打它们的主意,结果,几年前,一伙歹徒成功把武器带进了公园,直接把金砖抢走并逃脱。两根手指夹起来一块金砖虽然很难,用一只手抱着还是不难做到的。从此以后,这个表演就再也不使用真金了,还生怕你不知道,用很大字写上:本表演不使用真金!这个表演仍然在继续,但是观看的时候,再也找不回那种心动的感觉了。
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9 d0 M# v( k2 ]" O' {0 ~: P" O1. London Bullion Market Association, The Good Delivery Rules for Gold and Silver Bars-Specifications for Good Delivery Bars and Application Procedures for Listing. 3 P0 i% h: V5 J' L7 s0 k# o- S
2. Na Jin Seo and Tomas J. Armstrong, Friction coefficients in a longitudinal direction between the finger pad and selected materials for different normal forces and curvatures, Ergonomics 52(5), 609-16 (2009). ) q7 ]) X. I5 [9 L+ E4 M, N& _
3. Angela Didomenico Astin, Finger force capability: measurement and prediction using anthropometric and myoelectric measures, Virginia Polytechnic Institute and State University, Master of Science Thesis. ! ]+ j! R  f) S/ D5 P) q
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本文首发科学松鼠会,与沐右合作0 e  ^1 R$ X  P( J7 P# n0 o  Q& ?

作者: 山远空寒    时间: 2012-2-25 12:13
以前,(好汉不提当年勇,# `9 O' J3 d- b. l( t

5 Q, {; s! w# i俺一只手的拇指和食指可以做俯卧撑,两只手的食指和拇指在两个课桌之间的过道上,可以撑起全身重量,大约65-70公斤。就算高中时体重轻,那也有60公斤。
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* E- t2 c% J) H# C7 f4 l那是没有刻意练习的情况下,不过觉得那金砖必定做的光滑无比,手指的摩擦力肯定夹不住。若不考虑手指的摩擦力,锻炼一番,或许也可尝试拿起来那么几秒。
作者: 不爱吱声    时间: 2012-2-25 12:15
本帖最后由 不爱吱声 于 2012-2-24 22:17 编辑
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+ J+ f& M) B: G  ]1 G把文中"静摩擦擦系数",改成"最大静摩擦擦系数"就更严谨了
作者: 橡树村    时间: 2012-2-25 12:16
山远空寒 发表于 2012-2-25 12:13 $ [) X: n6 ^9 K- O3 d
以前,(好汉不提当年勇,)3 u2 c$ j( T5 m* d

9 H1 T. s  J+ b9 n' O5 e4 |俺一只手的拇指和食指可以做俯卧撑,两只手的食指和拇指在两个课桌之 ...
  s% [2 Q0 R* B/ Z7 ~
可以买块金砖在家练练
作者: 不爱吱声    时间: 2012-2-25 12:19
山远空寒 发表于 2012-2-24 22:13
4 t: H8 u) S6 j+ M9 ]7 x' w以前,(好汉不提当年勇,): V# }1 t+ \$ b* S9 f3 Y: H: O

, G! ~5 {( p( y& p$ z* O8 X俺一只手的拇指和食指可以做俯卧撑,两只手的食指和拇指在两个课桌之 ...
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不是一种力,一个是夹握力,一个是支撑力,其实支撑力更多的是靠骨头以及关节承重,夹握力靠的是牵引指甲的肌肉
作者: 山远空寒    时间: 2012-2-25 13:36
本帖最后由 山远空寒 于 2012-2-28 15:07 编辑
+ P$ e3 Q) y7 b
不爱吱声 发表于 2012-2-25 12:19
. u( r9 M5 h2 b) W4 P不是一种力,一个是夹握力,一个是支撑力,其实支撑力更多的是靠骨头以及关节承重,夹握力靠的是牵引指甲的肌 ...
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' a: {( t) C5 ]/ ]
这么说,我手指夹的力量应该不够, 手指夹一包A4纸感觉正合适,重量再加一倍也应该可以。不过这似乎离20公斤还很远。我家的哑铃是10公斤的,回去实验一下就知道10公斤是否可以。
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还有使劲的位置和角度,等我回家后实验即知。$ d6 l$ c4 t1 ^
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饮水机的大水桶大约18.9L(还不到20公斤),我用一只手提着走,手提不到20公斤,胳膊,肩膀都不是问题,手提时间常了,握不住,有些滑。感觉自己若用两个手指,无论如何提不起一桶水,手指与水桶的摩擦力难以支持提起20公斤。: {. n( g3 O6 U1 k, Z4 G' L
水桶的口还粗,若金砖上有两个槽,手指伸进去能勾住,那就很可能拿起来几秒钟。
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作者: 山远空寒    时间: 2012-2-25 13:38
橡树村 发表于 2012-2-25 12:16
: r. R* X8 s8 T, Y& f可以买块金砖在家练练
9 q& T, }0 ?( N( {- M2 [  Y. ~
这辈子是不敢想了。唯一可以指望的是哪天到村长家,夹起10公斤的金砖几秒钟,高高兴兴的带回家。9 |0 o& K( m/ M7 b6 q1 S% u/ G

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作者: 老芒    时间: 2012-2-25 14:43
记得央视曾在中国的黄金之乡玩过这么一次,用的是双手抓起一块金砖,结果没一个成功的。
作者: 魔术师    时间: 2012-2-25 14:50
还用到了力学模型计算,真是严谨呐!
1 x. L4 Z$ i* ^. ~
作者: 橡树村    时间: 2012-2-25 15:04
老芒 发表于 2012-2-25 14:43 4 d/ {5 r9 }! s1 W+ P7 I
记得央视曾在中国的黄金之乡玩过这么一次,用的是双手抓起一块金砖,结果没一个成功的。 ...
% O9 T! u  I2 g; D: x/ J, T" N
怎么用双手抓?只要能托到底部,就应该可以做到
作者: 老芒    时间: 2012-2-25 15:11
橡树村 发表于 2012-2-25 15:04
1 ]: m4 ^8 e# r/ `. x" E怎么用双手抓?只要能托到底部,就应该可以做到

0 }  d0 V) t0 D4 t+ d5 q+ E  Z底部贴着桌子,不能翻过来的。
作者: 黑JK    时间: 2012-2-25 21:02
找个机械战警去~
作者: 燕庐敕    时间: 2012-2-25 22:08
橡树村 发表于 2012-2-25 15:04 2 j5 b; b; Q1 @. y- f! W
怎么用双手抓?只要能托到底部,就应该可以做到

9 D+ X- W3 H3 @! D7 o9 x/ f/ T手上抹点胶水,把指头粘在金砖上吧。5 m- z0 @9 j( ~6 g

5 G: Z1 J1 X" m" ~# {: o; a4 K村长可别说是我说的哟。
作者: 一无所之    时间: 2012-2-26 10:23
看你这个帖子,感觉工科的底子真好啊~~这个文章好~~
作者: purplue    时间: 2012-2-26 15:50
看到金砖,那眼睛还是要放光的。
作者: 19851220    时间: 2012-2-26 19:32
见到图片都两眼放火光
作者: 猫元帅    时间: 2012-2-29 10:34
山远空寒 发表于 2012-2-25 12:13
( L% Z! q8 B  R( L: \8 H) e以前,(好汉不提当年勇,)
5 W# L/ v' X6 Z2 S1 H( @/ E. M, k7 I- Q9 g5 u5 N4 z" v/ x# `
俺一只手的拇指和食指可以做俯卧撑,两只手的食指和拇指在两个课桌之 ...

2 x  ], p; O' X/ ~1 N. ~你手指力度大到能把金砖按下一点凹陷是有可能提起来的。
作者: 牛铃    时间: 2012-2-29 11:13
这么巧啊,上个礼拜朋友在我家还说起过这事儿:我朋友国内学铸造(或类似专业的),现在在一个贵重金属加工公司干高级技工,主要是处理银,偶尔也处理金和铂。他进公司的时候,老板就给他们看一块金砖,说只要能用两根指头夹起来就可以拿回家,那帮红脖子老外都铆住劲了,当然没一个能拿起来的。0 ]* T" t1 D8 T7 [4 g' L
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现在经济不景气了,老板也没这么大块的金砖做展览了。
作者: 山远空寒    时间: 2012-2-29 12:05
猫元帅 发表于 2012-2-29 10:34
) |8 V( V3 E. ~你手指力度大到能把金砖按下一点凹陷是有可能提起来的。

; q. c. ~/ R- {( u要是我有金庸笔下,萧峰的功夫,定然不在话下!
作者: caec    时间: 2012-2-29 14:22
论证全面
作者: 七月群山    时间: 2012-3-1 18:50
燕庐敕 发表于 2012-2-25 22:08 / {/ |6 h2 A6 o, r: |7 O$ M
手上抹点胶水,把指头粘在金砖上吧。8 t# e( w) w0 _6 n' u
7 c* a! i, ~& P. b0 B+ i
村长可别说是我说的哟。
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人家早防着你这招了:双手必须戴人家提供的手套
作者: 包子    时间: 2012-3-13 14:29
我猜这文章就是你写的,刚刚试了试,金砖没找到,板砖没问题。
作者: 时使物然    时间: 2012-3-13 15:43
山远空寒 发表于 2012-2-29 12:05
' [; b' V: V9 k要是我有金庸笔下,萧峰的功夫,定然不在话下!

- L+ ]: W2 \" V要是有这个功夫,干点别的也比这个值钱哈
作者: 机器猫    时间: 2012-3-14 06:01
分析得很透彻啊
作者: MacArthur    时间: 2012-3-23 04:32
牛铃 发表于 2012-2-28 22:13 这么巧啊,上个礼拜朋友在我家还说起过这事儿:我朋友国内学铸造(或类似专业的),现在在一个贵重金属加工公司干高级技工,主要是处理银,偶尔也处理金和铂。他进公司的时候,老板就给他们看一块金砖,说只要能用两根指头夹起来就可以拿回家,那帮红脖子老外都铆住劲了,当然没一个能拿起来的。
8 Q- z8 z+ a& o1 G: v2 U
5 M( L! i# o. e6 \1 I' ?现在经济不景气了,老板也没这么大块的金砖做展览了。

# ~6 ^  _4 L. f1 O, h可以换一块小一点儿的金砖 -- 谁能用一根手指头夹起来就可以拿回家。。。 6 F2 `+ C6 Q7 k

作者: 老土拨鼠    时间: 2012-5-6 17:13
沙子一袋子,金子一屋子
作者: tanis    时间: 2012-6-1 06:33
这个我很早以前看正大综艺的时候就yy过,当时还想如果能派一批武林高手隔三差五去拿一块。国家不就奔小康了么~
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