嚴肅研究：你的鞋帶是怎麼鬆掉的

一項由加州大學伯克利分校的機械工程師進行的新研究展示了為什麼你的鞋帶總是會鬆脫。在不停地一次又一次綁鞋帶之後，每個人都會發出這樣的疑問，然而此前沒人對此進行研究。該研究表明，跺腳時的雙重打擊和鞭打力就是那隻無形的手，鬆開了你的繩結然後拉動鞋帶的末端直到完全解開。該研究發表在4月12日的英國皇家學會學報A輯上。

該研究不僅僅是科學解決一個看似明顯問題的例子。進一步理解繩結的機理有助於研究打結的結構如何在多種作用力下解離的。該研究利用慢速相機和一系列的實驗，顯示了鞋帶結在多種力的複雜相互作用下，幾秒之內就鬆脫的情形。

研究共同作者、伯克利研究生Christopher Daily-Diamond說道：「如果你從理解鞋帶入手，那麼你可以將同樣的原理應用於其他打結結構中，比如DNA或者是微觀結構。這是理解某些繩結優於其餘的第一步，在此之前從未有人真正研究過。」

通常有兩種系鞋帶的方式，其中一種系得比另一種緊，但沒人知道為什麼。更緊的繩結基於方結：兩條鞋帶反向交聯兩次(右手在上交叉一次，然後右手在下交叉一次)。較松的的打結方法是假結：兩條鞋帶同向交聯兩次(兩次都是右手在上交叉，這也是通常的打法)，會造成繩結扭在一起而不是平放。該研究顯示兩種打結法失敗的方式相同，為進一步研究兩種相似結構為何具有不同的結構完整性打下了基礎。

伯克利機械工程教授Oliver O"Reilly說道：「我們試圖從力學的角度理解繩結，比如為什麼某種打結方式就很牢固，其他打結方式就不行。我們證實鬆散的繩結總是會散開，結實的繩結經過了特定的時間也會鬆開，但我們還是不理解這兩種繩結之間為什麼會有不同的力學基礎。」

新研究的目標是基本理解鞋帶繩結在動態力的作用下散開這一現象中蘊含的力學知識。先前的研究已經描述了在長期負載情況下打結結構是如何鬆開的，但此前尚不存在變化作用力和負載的動態壓力情況下的研究。

第一步是記錄鞋帶散開的慢速過程。研究共同作者、研究生Christine Gregg是一個跑步者，繫緊跑鞋在跑步機上開始奔跑，她的同事則記錄她的鞋子。

研究者發現鞋帶是這樣鬆掉的：在跑步的時候，你的腳以七倍重力踏在地面上，繩結會隨作用力而伸縮。隨著繩結鬆開，擺動的雙腿會對鞋帶的末端施加慣性力，只需兩步就會使鞋帶完全散開。

伯克利校長獎得主Gregg說道：「要解開鞋帶，我只需要拉末端就行了，在跑步過程中也是一樣的方式。導致這個的作用力不是源於行人起腳的動作，而是腿部往返擺動帶來的慣性力。」

除了動態力作用於繩結，該視頻還揭示了鞋帶結基部較大的加速幅度。為了進一步研究，研究者隨後使用了衝擊擺晃動繩結，測試不同鞋帶的繩結力學。

Gregg說道：「某些鞋帶可能比其他的更適用於打結，但我們認為導致它們散開的基礎力學是一樣的。」

研究者認為對鞋帶末端增加慣性力會使鞋帶更快的鬆開，並進行了測試。他們增加了擺動鞋帶結的鞋帶末端的重量，發現隨著鞋帶末端的慣性力增大，鞋帶結也會更快地鬆開。

Daily-Diamond說道：「你不僅需要對繩結的基部作用脈衝力，還需要對鞋帶末端作用拉力，才能使鞋帶完全散開。」

當然，行人的走路或者跑步的時候，鞋帶也不是必定鬆開。系得很緊的鞋帶需要很多次的衝擊和擺腿循環才會鬆開，可能在一天的活動中都達不到這樣的次數。要理清其中的各個變數的作用還需要進一步的研究。但這個研究的確解決了一個問題：為什麼我的鞋帶一分鐘前還好好的，突然就鬆開了呢。

Gregg說道：「其中最有意思的是你的鞋帶可能很長時間都是好好的，但突然你做了一點微小的動作，然後就雪崩般地導致你的鞋帶散開了。」

[CliffBao via phys]

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