An welcher Art von Papier kann man sich am ehesten die Finger schneiden? Wissenschaftler haben es versucht und die Ergebnisse waren unerwartet

Papier mag zerbrechlich erscheinen, aber es kann sich unbemerkt an Ihre Finger schleichen. Wenn Sie die Seiten eines Buches umblättern oder Dokumente ordnen, denken Sie normalerweise, dass die Haut Ihrer Finger und die Seiten des Buches nur kurz in Kontakt kommen, aber bis Sie einen dumpfen Schmerz in Ihren Fingerspitzen spüren, sehen Sie die Umrisse Ihres Fingers, die rot vom Blut nachgezeichnet sind – in dem Moment, in dem das Papier Ihre Fingerspitzen sanft berührt, hat es bereits eine Wunde in Ihren Finger geschnitten.

Ich weiß nicht, ob das ein Glück oder ein Unglück ist, denn die Wahrscheinlichkeit, dass man sich mit Papier in die Finger schneidet, ist sehr gering. Selbst wenn man sich mit Papier absichtlich in die Hände schneidet, kommt es in den meisten Fällen nicht zu Schnittverletzungen. Dies weckte das Interesse einiger Physiker an der Technischen Universität Dänemark, die begannen, Forschungsarbeiten durchzusehen , um herauszufinden, welche Art von Papier am ehesten einen Finger schneiden würde und auf welche Weise.

Bildquelle: Originalarbeit

Zu dick oder zu dünn ist nicht gut

Aber sie stellten fest, dass noch nie jemand ein so interessantes Problem untersucht hatte? ! Da sie keine relevanten Forschungsergebnisse finden konnten, haben sie ihre eigenen Nachforschungen angestellt!

Sie suchten sich Papier unterschiedlicher Dicke und versuchten, sich in verschiedenen Winkeln in die Finger zu schneiden, um herauszufinden, auf welche Weise sie sich am leichtesten eine Wunde zufügen könnten. Da diese Physiker jedoch nicht bereit waren, ihre Finger beizusteuern, waren die „Finger“, die sie im Experiment verwendeten, tatsächlich Modelle aus Gelatine.

Ein echter Finger, der von Papier zerkratzt wurde (Bildquelle: ComprehensiveItem – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0)

Sie stellten fest, dass bei gleichem Schnittwinkel die Gelatine bei dickem Papier beim Schneiden nur eingesunken, aber nicht erfolgreich geschnitten werden konnte;

Sehr dickes Papier führt zum Absinken der Gelatine (Quelle: Originalarbeit)

Bei sonst gleichen Bedingungen und Verwendung dünneren Papiers kann die Gelatine geschnitten werden – allerdings gilt: je dünner das Papier, desto besser;

Dünneres Papier kann Gelatine schneiden (Quelle: Originalarbeit)

Denn als sie auf dünneres Papier umstiegen, konnte das Papier die Gelatine nicht nur nicht durchschneiden, sondern es bog sich sogar über sich selbst .

Zu dünnes Papier verbiegt sich (Quelle: Originalarbeit)

Darüber hinaus testeten sie, wie leicht sich Papier bei unterschiedlichen Schnittwinkeln durch die Gelatinefinger schneiden ließ. Die Ergebnisse zeigten, dass es umso einfacher war, ein Loch zu schneiden, je kleiner der Winkel zwischen dem Papier und der Gelatineoberfläche beim Schneiden war .

Zusammenfassend lässt sich sagen: Je kleiner der Schnittwinkel des Papiers, desto einfacher lässt sich die Gelatine schneiden. Wenn das Papier jedoch bei einem bestimmten Schnittwinkel zu dick oder zu dünn ist, kann die Gelatine nicht geschnitten werden.

Drei Ergebnisse des Papierruderns (Bildquelle: Originalpapier)

Warum kommt es zu diesem Trendwechsel? Bei welcher Dicke und in welchem ​​Winkel schneidet man am ehesten in den Finger?

Je dünner, desto schärfer?

Lassen Sie uns zunächst untersuchen, warum sich die Haut bei relativ dünnerem Papier und gleichem Schnittwinkel leichter schneiden lässt.

Eine leicht verständliche Erklärung ist, dass das Papier umso „schärfer“ ist, je dünner es ist . Beim Schneiden der Haut konzentrieren sich alle vom Papier auf die Haut ausgeübten Kräfte auf die Kontaktfläche zwischen Papier und Haut. Je dünner das Papier ist, desto kleiner ist die Kontaktfläche zwischen Papier und Haut. Daher ist bei Anwendung der gleichen Kraft die Kraft pro Flächeneinheit der Haut größer, d. h. die „Spannung“ (σ=F/s) ist größer.

Die Belastung der Haut durch das Papier hat zwei Auswirkungen. Eine besteht darin, die Hautoberfläche nach unten durchhängen und verformen zu lassen, die andere darin, die Haut auf beiden Seiten der Kontaktfläche zu den Seiten zu ziehen.

Physikalisches Modell einer Papierschnitt-Gelatine (Bildquelle: Originalarbeit)

Wenn die Spannung, die die Haut nach beiden Seiten zieht (d. h. „Scherspannung“ – die Spannungskomponente in der tangentialen Richtung zur Hautoberfläche) die Toleranz der Haut überschreitet (abhängig vom Elastizitätsmodul und der Bruchhärte der Haut), wird die Haut gerissen (es tritt eine plastische Verformung auf), d. h., sie wird durch Papier geschnitten.

Wie bereits erwähnt, ist die Belastung umso größer, je dünner das Papier ist, was offensichtlich eher dazu führt, dass der Toleranzbereich der Haut überschritten wird und es somit zu Schnitten in der Haut kommt. Darüber hinaus ist die „Scherspannung“, also die tangentiale Spannungskomponente auf der Hautoberfläche, umso größer, je kleiner der Schnittwinkel ist , und umso leichter lässt sich die Haut schneiden.

Der Einfluss von Schnittwinkel und Papierdicke auf die Schneidfähigkeit des Papiers in der Haut (Bildquelle: Originalarbeit)

Warum kann die Haut dann nicht geschnitten werden, wenn das Papier zu dünn ist?

Zu dünn ist nicht gut

Ist das Papier zu dünn, ist es zu zerbrechlich .

Bei der obigen Analyse gingen wir eigentlich davon aus, dass sich Papier nicht verformt. Im Experiment zu Beginn konnten wir jedoch feststellen, dass sich zu dünnes Papier beim Schneidevorgang verbiegt. Dies liegt daran, dass zu dünnes Papier eine geringe Festigkeit aufweist und der zum Schneiden der Haut erforderlichen Belastung nicht standhalten kann. Dies wird in der technischen Mechanik als „Knicken“ oder „Kompression“ bezeichnet und bezeichnet den Fall, dass sich Strukturen wie Säulen und Balken plötzlich verbiegen oder verformen, wenn sie übermäßigen Druckbelastungen ausgesetzt sind.

Das Material knickt ein (Bildnachweis: Mircalla22 (Talk) – Public Domain)

In realen Anwendungen müssen Ingenieure bei der Konstruktion sorgfältig auf Knickprobleme achten, um sicherzustellen, dass die Struktur sicher und stabil bleibt, insbesondere bei schwerer Belastung.

Das Wetter ist zu heiß und die Schienen dehnen sich aufgrund der Hitze aus und verbiegen sich (Bildquelle: Railpedia.nl – CC BY-SA 3.0)

Bei zu dünnen Papieren knickt das Papier ein, bevor die zum Schneiden der Haut erforderliche Spannung erreicht ist , und reicht daher nicht aus, um die Haut zu schneiden.

Vereinfacht ausgedrückt hängt die Durchschneidefähigkeit von Papier durch die Haut davon ab, ob Papier oder Haut bei der Spannungserhöhung zuerst ihre Tragfähigkeitsgrenze erreicht. Wenn das Papier zuerst die Grenze der Haut erreicht , kann die Haut erfolgreich geschnitten werden. Wenn das Papier zuerst seine Tragfähigkeitsgrenze erreicht, wird es sich verziehen.

Das gefährlichste Papier

Dünneres Papier ist schärfer, neigt aber auch eher dazu, sich zu verziehen. Wenn ein Stück Papier die maximale Belastung auf die Haut ausüben kann, gerade genug, um die Haut zu schneiden, aber nicht genug, um sie zu verbiegen, besteht bei dieser Papierdicke die größte Gefahr, dass Sie Ihre Finger zerkratzen. Die Physiker haben berechnet , dass Papier mit einer Dicke von 65 Mikrometern diese Bedingung gerade erfüllt.

Sie haben außerdem berechnet, dass im wirklichen Leben die Wahrscheinlichkeit, dass man sich mit 65 Mikrometer dickem Papier erfolgreich in den Finger schneidet, bei 21 % liegt. Mit anderen Worten: Wenn die Dicke des Papiers, das Sie durchblättern, genau 65 Mikrometer beträgt, schneidet Ihnen diese Art von Papier im Durchschnitt bei jedem fünften Mal, wenn es über Ihren Finger gleitet, erfolgreich in den Finger. Wie gefährlich!

Welche Art von Papier in unserem täglichen Leben hat also eine Dicke, die am nächsten an 65 Mikrometer heranreicht? Viele Nadeldrucker verwenden Papier mit einer Dicke von genau 65 Mikrometern, und viele Zeitungen haben ungefähr die gleiche Dicke.

Ein Nadeldrucker (Bildnachweis: Nakamura2828 bei us.wikipedia – CC BY-SA 3.0)

Als Forscher wiesen diese Physiker jedoch ausdrücklich darauf hin, dass die Dicke der beiden großen wissenschaftlichen Zeitschriften Science (55 Mikrometer) und Nature (49 Mikrometer) sehr nahe bei 65 Mikrometern liegt, was ebenfalls sehr gefährlich ist!

Bildquelle: Autor des Artikels

Nachdem diese Wissenschaftler das „gefährlichste“ Papier gefunden hatten, stellten sie im 3D-Druckverfahren auch einen Messerhalter her, der 65 Mikrometer dickes Papier als Klinge verwenden kann (3D-Druckdaten wurden hochgeladen und können selbst heruntergeladen werden). Es wird gesagt, dass es problemlos Gemüse, Hühnchen usw. schneiden kann!

Brieföffner (Bildquelle: Originalpapier)

Den Forschungsprozess haben sie in einem Paper zusammengefasst und in der Fachzeitschrift Physical Review E veröffentlicht. Bei Interesse können Sie es gerne lesen.

Verweise

[1]https://journals.aps.org/pre/accepted/aa072Kc5A071ae0708c39799a466b7d26e3ac2a0e#abstract

[2]https://github.com/Jensen-Lab/PhysicsOfPaperCuts/tree/main

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (id: huanqiukexue)

Herausgeber: Yinuo

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin