@ 2017.04.19 , 09:00

严肃研究:你的鞋带是怎么松掉的

一项由加州大学伯克利分校的机械工程师进行的新研究展示了为什么你的鞋带总是会松脱。在不停地一次又一次绑鞋带之后,每个人都会发出这样的疑问,然而此前没人对此进行研究。该研究表明,跺脚时的双重打击和鞭打力就是那只无形的手,松开了你的绳结然后拉动鞋带的末端直到完全解开。该研究发表在4月12日的英国皇家学会学报A辑上。

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该研究不仅仅是科学解决一个看似明显问题的例子。进一步理解绳结的机理有助于研究打结的结构如何在多种作用力下解离的。该研究利用慢速相机和一系列的实验,显示了鞋带结在多种力的复杂相互作用下,几秒之内就松脱的情形。

研究共同作者、伯克利研究生Christopher Daily-Diamond说道:“如果你从理解鞋带入手,那么你可以将同样的原理应用于其他打结结构中,比如DNA或者是微观结构。这是理解某些绳结优于其余的第一步,在此之前从未有人真正研究过。”

通常有两种系鞋带的方式,其中一种系得比另一种紧,但没人知道为什么。更紧的绳结基于方结:两条鞋带反向交联两次(右手在上交叉一次,然后右手在下交叉一次)。较松的的打结方法是假结:两条鞋带同向交联两次(两次都是右手在上交叉,这也是通常的打法),会造成绳结扭在一起而不是平放。该研究显示两种打结法失败的方式相同,为进一步研究两种相似结构为何具有不同的结构完整性打下了基础。

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伯克利机械工程教授Oliver O'Reilly说道:“我们试图从力学的角度理解绳结,比如为什么某种打结方式就很牢固,其他打结方式就不行。我们证实松散的绳结总是会散开,结实的绳结经过了特定的时间也会松开,但我们还是不理解这两种绳结之间为什么会有不同的力学基础。”

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新研究的目标是基本理解鞋带绳结在动态力的作用下散开这一现象中蕴含的力学知识。先前的研究已经描述了在长期负载情况下打结结构是如何松开的,但此前尚不存在变化作用力和负载的动态压力情况下的研究。

第一步是记录鞋带散开的慢速过程。研究共同作者、研究生Christine Gregg是一个跑步者,系紧跑鞋在跑步机上开始奔跑,她的同事则记录她的鞋子。

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研究者发现鞋带是这样松掉的:在跑步的时候,你的脚以七倍重力踏在地面上,绳结会随作用力而伸缩。随着绳结松开,摆动的双腿会对鞋带的末端施加惯性力,只需两步就会使鞋带完全散开。

伯克利校长奖得主Gregg说道:“要解开鞋带,我只需要拉末端就行了,在跑步过程中也是一样的方式。导致这个的作用力不是源于行人起脚的动作,而是腿部往返摆动带来的惯性力。”

除了动态力作用于绳结,该视频还揭示了鞋带结基部较大的加速幅度。为了进一步研究,研究者随后使用了冲击摆晃动绳结,测试不同鞋带的绳结力学。

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Gregg说道:“某些鞋带可能比其他的更适用于打结,但我们认为导致它们散开的基础力学是一样的。”

研究者认为对鞋带末端增加惯性力会使鞋带更快的松开,并进行了测试。他们增加了摆动鞋带结的鞋带末端的重量,发现随着鞋带末端的惯性力增大,鞋带结也会更快地松开。

Daily-Diamond说道:“你不仅需要对绳结的基部作用脉冲力,还需要对鞋带末端作用拉力,才能使鞋带完全散开。”

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当然,行人的走路或者跑步的时候,鞋带也不是必定松开。系得很紧的鞋带需要很多次的冲击和摆腿循环才会松开,可能在一天的活动中都达不到这样的次数。要理清其中的各个变量的作用还需要进一步的研究。但这个研究的确解决了一个问题:为什么我的鞋带一分钟前还好好的,突然就松开了呢。

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Gregg说道:“其中最有意思的是你的鞋带可能很长时间都是好好的,但突然你做了一点微小的动作,然后就雪崩般地导致你的鞋带散开了。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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