两根手指头捏起金砖？

橡树村

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。

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。

+ a4 ~/ P( l7 R' l' m$ S; n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。
: l$ i8 y, z" x: `& F
+ Q, c% `# H6 I' }+ v

" O6 e" C: Y, p/ h
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。


; a2 |: G, F2 G

! |1 D, u% b5 O9 L【金砖的受力分析图】

: u5 y0 v/ x8 c* t4 h如上图所示，金块受到这么几个力的作用：

1. 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）；
4 J, J) b* V- G( `7 e* F! [
2. 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；
7 |7 \3 f/ `5 A/ k
3. 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。

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）
4 J& r  o7 O1 ]* c( e. n
F=2μN sin(θ)-2N cos(θ)-G，
- ]5 r( m% @5 b: B' ^7 c8 A$ ?1 O
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！
0 |! y1 P; ~6 [6 b7 B( C
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。

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。
. E7 _  c0 }6 U
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。
" C: X# y0 f+ u4 s- G+ `9 ^

0 p( A- u+ h# U' H1 Y! a, w

* x+ W0 Y" w9 y! \1 b【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】

  n" G4 t% R# Q* O
# d4 I' F7 I) t% \8 e+ A8 t( K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。
  W% g7 L4 i& M8 b
, Q0 ?, k+ s8 N+ t5 H# X% f5 R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。
: U6 M1 P: w4 Z9 y
. E* l0 O) {  ^7 N参考资料

1. London Bullion Market Association, The Good Delivery Rules for Gold and Silver Bars-Specifications for Good Delivery Bars and Application Procedures for Listing.
4 H. l; y1 u& K! ?* U0 U2. 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).
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.

本文首发科学松鼠会，与沐右合作

山远空寒

以前，（好汉不提当年勇，）
0 W, D" _/ l. t/ z* ?/ ], Y
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。

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。

不爱吱声

! Y' M/ F0 i, ~把文中"静摩擦擦系数",改成"最大静摩擦擦系数"就更严谨了

橡树村

山远空寒 发表于 2012-2-25 12:13
以前，（好汉不提当年勇，）

" e# }+ f/ S  @6 u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 ...

6 T. x0 s) D  {$ K$ c可以买块金砖在家练练

不爱吱声

山远空寒 发表于 2012-2-24 22:13
$ W& t/ p4 ~  H. z/ e5 _以前，（好汉不提当年勇，）

- f2 e7 H9 m( j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 ...

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

山远空寒

  h" t2 c- Y9 n8 @/ b; t

不爱吱声 发表于 2012-2-25 12:19
3 w& o+ i( R3 E8 m5 G$ [0 E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 ...

* A0 f0 H. s2 |- x* m
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。
* ^1 B4 d9 o! `1 l( u0 D
还有使劲的位置和角度，等我回家后实验即知。

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。
+ I, F' p9 I  g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。
* H" k9 K5 n' x% n/ u$ ?  P
* ?' s" C  y2 S$ E7 ?5 `

山远空寒

橡树村 发表于 2012-2-25 12:16
" A9 s9 G" h* s. [可以买块金砖在家练练

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。

老芒

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。

魔术师

还用到了力学模型计算，真是严谨呐！

橡树村

老芒 发表于 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。 ...

怎么用双手抓？只要能托到底部，就应该可以做到

老芒

橡树村 发表于 2012-2-25 15:04
怎么用双手抓？只要能托到底部，就应该可以做到

- @: H! z) G* [+ N  z% t$ ]6 V底部贴着桌子，不能翻过来的。

黑JK

找个机械战警去~

燕庐敕

橡树村 发表于 2012-2-25 15:04
怎么用双手抓？只要能托到底部，就应该可以做到

手上抹点胶水，把指头粘在金砖上吧。
7 z* t. }6 z# x4 ]- k1 |2 {; x& s
# u3 j+ O0 }6 S$ s村长可别说是我说的哟。

一无所之

看你这个帖子，感觉工科的底子真好啊～～这个文章好～～

purplue

看到金砖，那眼睛还是要放光的。

19851220

见到图片都两眼放火光

猫元帅

山远空寒 发表于 2012-2-25 12:13
以前，（好汉不提当年勇，）

/ M0 h; `# x1 [" y; g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 ...

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。

牛铃

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。
- K" i2 S. U8 |
* j/ e* x" ~/ H* {# H现在经济不景气了，老板也没这么大块的金砖做展览了。

山远空寒

猫元帅 发表于 2012-2-29 10:34
- E! B' F6 ]  p8 T" A9 U0 W+ Q, }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。

4 Y. S8 m# [2 f! p7 m, c要是我有金庸笔下，萧峰的功夫，定然不在话下！

caec

论证全面