这是一个很有趣的话题。虽然有很多人回答过,但是他们的回答都是经验性的,缺乏理论依据。知其所以然,知其所以然,是每一个热爱科学的人的基本科学素养。严格来说,这个问题涉及到软物质的断裂,属于力学问题。在科学研究中,软物质由于其组成的复杂性,是一个非常热门和困难的研究领域。接下来我就从软物质的介绍开始,用我的理解一步步定性揭示这个问题的答案。
1.软性物质通常,我们在日常生活中使用的物体是坚硬的物体,如金属、石头、木头等。但是,还有另外一种软的物体,比如肉之类的生物组织。实际上,软物质不仅是生物组织,还有液晶、胶体、泡沫等物质,如下图所示。软物质是凝聚态物理的研究对象。在力学领域,对软物质的力学行为也有专门的研究。从下图可以看出,对软材料的研究之一就是断裂,这个问题正好属于这一类。
2.软材料力学研究传统材料,通常指金属材料,是各向同性的,即无论受哪个方向的力,其力学行为都是相同的。后来发现有些材料不是各向同性的,比如木材,顺纹和横纹两个方向的力学行为完全不同。这一类叫做各向异性,是一个大类,又有好几种子类。虽然各向异性的力学行为非常复杂,但我们总是可以通过张量得到它的物理方程(本构方程)。下图显示了正交各向异性材料的极化分析。
与传统材料不同,软材料的物理方程(本构方程)不是那么容易得到的。本构方程是指物体的应力和应变之间的关系。然而,对于软材料,应力-应变关系变得非常复杂。如下所示:
在传统材料中,我们可以用某个点来代替整个物体。但对于软物质,不能用个体的叠加来演绎整体的特征。运动定律不能用传统的固体和流体理论来描述。软物质的元素非常复杂,不同的元素会有不同的应力反应。软物质的成分也很复杂,通常包含多相。在传统材料中可以忽略的分子力在软材料中可能起主要作用。软物质的力学研究只有20多年,基本处于起步阶段,这也是很多学者投入研究热情的原因。目前,基于连续介质力学,发展了几种弹性本构关系:熵弹性、超弹性本构关系、粘弹性本构关系、多孔弹性介质本构关系、非牛顿流体本构关系等。这里不一一呈现具体的本构方程。对于本题中的刺针,最适用的是超弹性本构关系。有学者基于软物质的构成发展了脑组织的扩散张量成像技术,如下图所示。
3.针灸模型分析因为人体的肉是一种软物质,软物质本身的物理关系非常复杂。所以我不给出具体的进针后肉如何反应的位移。其实我暂时没有计算软物质的能力。不过我觉得百科有庞大的用户群,总会有只是研究软材料的研究者。下面,我就从定性的角度来分析一下这个针灸模型。其实基本的力学思想都是一样的,区别在于物体的反应。
注射器有很多种尺寸,有记录的最薄的一种直径只有0.2毫米。通常注射输液用的针,直径在0.7mm左右,内径在0.4mm左右,和扎进去的肉比起来很细。针灸的过程可以用下面A-D的四个过程来描述。你可以看到运动。针刺时必须是针的点,这样才能保证“专注”。
答:针尖只是接触到皮肤,没有刺入,也没有用力。此时针尖皮肤与其他部位一致。
b:针尖向下,与皮肤相互作用。由于针尖的力量,皮肤凹陷。但是,此时的相互作用力仍然小到可以刺穿皮肤。
c:随着力度的加大,皮肤开始被刺破。穿刺开始时,皮肤受到挤压力和剪切力的共同作用。一般来说,物体承受压力较好,所以皮肤的穿刺主要在于皮肤承受剪切的能力较弱。
d:随着力度的加大,皮肤一旦被刺破进入肉里,此时肉里被刺破的原因不再是它的剪切能力弱,而是它的拉伸能力弱。因为,针尖一旦刺入,裂尖两侧就会分开,这就是开放性裂纹。
4.为什么针孔里没有肉?从上面的分析可以看出,针尖一旦刺入肉中,肉的裂纹形式属于开放性裂纹。以刺入肉里的某个过程为分析对象,如下图所示。黄色是预定的穿刺轨迹,表示肉会在这个轨迹上断裂。以肉类为研究对象,放大如下图。在现有针尖的部分,因为针尖的存在,肉会向两边分开,针尖的侧壁会对肉有挤压力。在这种挤压力的作用下,尖端的肉虽然没有分开,但始终处于拉伸状态,也就是张开的裂缝。裂开的肉总是处于紧绷的状态。一旦断了,拉伸力消失,紧实的肉会向两边移动,而不是呆在原地。这避免了堵塞针孔。
5.总结虽然这个问题在医学上很常见,但对于大多数人来说,是由于经验。大家都知道为什么,却不知道为什么。显然,了解科学原理会促进力学和医学学科的发展。其实软物质的力学在医学上的应用非常广泛,注射就是其中之一。
由于软材料的机械行为的复杂性,我无法给出针刺模型中肉的定量响应位移。但是基于断裂力学的基本原理,我发现在针刺模型中,肉的断裂(分离)方式是开裂纹。即裂尖处的肉始终处于拉伸状态,一旦断裂,肉就会向两边移动,从而避免堵塞针孔。