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有一種情況可以證明,,世界上最鋒利的物體無(wú)法切割任何東西,。我們都用刀切過蘋果,,刀很鋒利對(duì)我們來(lái)說是顯而易見的事情,。但如果工具很鋒利,,那么它應(yīng)該很容易切割東西才對(duì),。所以“世界上最鋒利的物體無(wú)法切割任何東西”這句話聽起來(lái)就很違反直覺,,那這到底是怎么回事呢,?
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% q, j+ u. e# D; {' `* T就像其他大多數(shù)概念一樣,科學(xué)家們?cè)噲D確定鋒利的定義,。聽到“鋒利”一詞時(shí)可能首先想到的物體是刀,,研究該形狀的確切細(xì)節(jié)及其幾何特性,為我們定義鋒利度提供了一個(gè)起點(diǎn),。如果我們放大刀刃,,就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有一種楔形。直覺上,,楔形的“鋒利度”似乎歸結(jié)為兩個(gè)主要屬性:它有多尖以及它有多窄,。因此,科學(xué)家們創(chuàng)造了“尖銳度”和“狹窄度”的具體測(cè)量方法,,來(lái)試圖定義鋒利度,!
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從尖銳度開始,如果我們放大刀的邊緣,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)楔形的尖端不會(huì)收縮到無(wú)限小的點(diǎn),。相反,,它最后會(huì)收縮成一條微小的曲線。將該曲線視為形成圓的一部分,,該圓的半徑可以最終決定了刀的邊緣有多小,。這里有一個(gè)詞,叫做邊緣半徑,,這是我們描述刀刃“尖銳度”的幾何方式,。較小的邊緣半徑意味著更小的曲線,刀緣更接近理想的完美尖角形狀,。$ C- t' t: A: F
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+ k7 [' o5 y [ D& d/ E. j 但是邊緣半徑并不是鋒利度的全部,,因?yàn)榧词故蔷哂邢嗤霃降牡叮穸纫部赡懿煌�,。因此,,為了讓“邊緣半徑”有用,我們還必須確定“窄度”部分,。這由所謂的楔角定義:楔形的兩個(gè)平面之間的角度,。較小的角度意味著更薄的楔形,這通常意味著更鋒利的刀片,。
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如果一個(gè)刀片具有固定的小楔角,,那么邊緣半徑就可以確定鋒利度。例如,,某些外科手術(shù)刀的藍(lán)寶石刀片邊緣半徑只有至25納米,,相當(dāng)于只有只有幾百個(gè)原子!由于刀片如此鋒利,,藍(lán)寶石手術(shù)刀留下的疤痕實(shí)際上比鋼手術(shù)刀愈合得更快,。此外,刀片由堅(jiān)硬的藍(lán)寶石制成,,非常耐用,。5 j/ m2 r- Y) I) m1 E/ d
; I9 I2 ^2 D9 ]9 c9 w) ^! B但即使是這些超鋒利的藍(lán)寶石手術(shù)刀也不是最鋒利的,一種更鋒利的刀片是由黑曜石制成的,。黑曜石是一種火山玻璃,,可以制作成邊緣半徑僅為3納米的刀刃。這相當(dāng)于只有幾十個(gè)原子,,使其成為我們所知的最鋒利的物體之一,。今天。我們?nèi)匀皇褂煤陉资镀M(jìn)行某些類型的手術(shù),,因?yàn)樗鼈兊某h利度可以在不需要施加太大壓力的情況下進(jìn)行切割,。事實(shí)上,,黑曜石刀片甚至可以將單個(gè)細(xì)胞切成兩半。因此,,邊緣半徑和楔角結(jié)合起來(lái),,很好地描述了黑曜石令人難以置信的切割能力。+ \9 O2 _& d( w! p7 [
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所以,,這給了我們一個(gè)錯(cuò)覺,認(rèn)為定義鋒利很簡(jiǎn)單,。不幸的是,,到目前為止我們討論的幾何屬性有一些缺點(diǎn),比如描述針的鋒利度,,由于它們的尖端也會(huì)收縮到一個(gè)曲面,,我們可以使用邊緣半徑的概念。但與刀不同的是,,它們沒有形成楔形的兩個(gè)平面,,因此楔角在這里沒有意義。
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0 z: ^1 m9 c6 p b2 |5 \: K% x+ p- ^我們可以使用其他類型的角度,,但它們都有自己的問題,。例如,對(duì)于注射針,,傾斜邊與直邊之間存在一個(gè)角度,,稱為“斜角”。2012年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),,在同一根針上設(shè)置多個(gè)斜角可以提高其刺穿皮膚的能力,,這對(duì)于減輕疼痛和提高療效非常重要。這與我們對(duì)鋒利度的直覺相違背,。
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5 C; c% v; S6 p; W* o1 |5 a 至于邊緣半徑,,我們?cè)谌嗽旃ぞ呱蠈?shí)現(xiàn)的最小半徑是鎢納米針。它是掃描隧道顯微鏡的探針,,可在針和表面之間產(chǎn)生跳躍的微小電流,。通過這樣做,針尖可以識(shí)別表面上單個(gè)原子的位置,,并幫助我們建立材料外觀的圖像,。這個(gè)探針的尖端只有一個(gè)原子寬,我們不能得到比這更小的了,。也正是由于這種小得離譜的半徑,,吉尼斯世界紀(jì)錄大全宣布鎢納米針是世界上最鋒利的人造物體。
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2 K( v! p) @2 ~ 但正如我們一開始所說的,,這個(gè)針不能切割或刺穿任何東西,!一個(gè)只有一個(gè)原子厚的物體非常脆,,即使它有超級(jí)“鋒利度”也不會(huì)提高針的切割能力或刺穿能力。如果我們?cè)噲D對(duì)它施加任何壓力,,它就會(huì)折斷,。9 O# b# b" q3 C0 k* U c! r2 \+ ?
8 o+ i3 ?5 C- T( ^$ Z" a- b這不僅僅是鎢納米針的問題,我們前面提到的那些黑曜石外科手術(shù)刀也不會(huì)一直使用,,因?yàn)樗鼈円埠艽�,,如果外科醫(yī)生不小心,就有折斷的風(fēng)險(xiǎn),。因此,,當(dāng)描述切割或穿孔的能力時(shí),鋒利度并不一定適用,。它僅描述對(duì)象的幾何形狀,,而不是其功能。
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