Research press release

【物理学】指の関節がポキッと鳴るメカニズム

Scientific Reports

Physics: What causes the sound of knuckle cracking?

指の関節をポキッと鳴らすのは、非常にありふれたことだが、指の骨と手の骨の間の関節が外れる時に生じる典型的な音の原因については、1900年代初頭から科学者の間で論争が続いている。V. Chandran SujaとAbdul Bakaratが今週報告する数理モデルは、この原因の説明となるかもしれない。

SujaとBakaratは、関節の幾何学的表現と一連の数式を組み合わせて、ポキッと鳴るまでの一連の事象のシミュレーションを行った。このシミュレーションからは、指の関節を鳴らす時の関節の動きによって滑液の液圧が変化して、滑液に含まれる微細気泡が崩壊することが示唆されている。この微細気泡の崩壊によってポキッという音が生じる、とする学説が1971年に提唱されたが、その40年後に、この学説を否定する考えが示された。指の関節をポキッと鳴らしてから長い時間が経っても、微細気泡が残っていたことが実験で示されたためだ。しかしSujaたちの数理モデルは、微細気泡の全部ではなく一部が崩壊するだけでポキッという音が生じ、指の関節をポキッと鳴らした後も滑液に微細気泡が残ることを明らかにして、この矛盾を解消できたと考えられる。

また、Sujaたちは、微細気泡の崩壊によって生じる気圧が音波を発生させ、この音波が数理的に予測でき、実験的に測定できることを明らかにした。このモデルによって算出された音圧波は、文献に示された指の関節を鳴らす時の音響的特徴とも、3人の被験者が実際に指の関節を鳴らした時にSujaたちが作成した記録とも、非常によく似ている。この数理シミュレーションと実験結果との類似性(グラフ上で視覚的に確認できる)から、Sujaたちのモデルは、指の関節をポキッと鳴らす際の音の特徴を明らかにするだけでなく、その原因を微細気泡の崩壊と考えるのが妥当であることを示しているだろう。

Knuckle cracking is very common, but the origin of the typical sound that accompanies the release of the joint between the finger and hand bones has been debated by scientists since the early 1900s. Now a mathematical model developed by V. Chandran Suja and Abdul Bakarat, described in Scientific Reports, offers a possible explanation.

The authors combined a geometrical representation of the joint and a series of mathematical equations to simulate the events leading to the generation of the sound. Their results suggest that pressure variations in the joint fluid resulting from the joint motion (during knuckle cracking) cause the collapse of microscopic bubbles present in the fluid. It is the collapse of these bubbles that causes the cracking sound - a theory first put forward in 1971 but challenged 40 years later when new experiments showed that bubbles persisted in the fluid long after the knuckles had cracked. The authors’ mathematical model appears to resolve this contradiction by showing that only a partial collapse of the bubbles is needed to produce the sound, allowing for microbubbles to persist in the joint fluid after knuckle cracking.

The authors also show that the pressure generated by the collapse of the bubbles produces acoustic waves that can be predicted mathematically, as well as measured experimentally. The acoustic pressure waves calculated by the model are very similar to the acoustic signature of knuckle cracking presented in the literature and actual knuckle cracking recorded by the authors from three test subjects. The similarities between the mathematical simulation and experimental results - visually represented as similar-looking graphs - suggest that the authors’ model can not only characterize the sound of knuckle cracking but also show that bubble collapse is a plausible reason for the cracking sound.

doi: 10.1038/s41598-018-22664-4

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