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跑着跑着鞋带散了,美国学者发现事情没那么简单,还发了论文

2017-04-16 21:22:00

据澎湃新闻4月13日报道,鞋带散了,这是日常生活中一件每个人都会遭遇的事。但美国加利福尼亚大学伯克利分校机械工程学教授Oliver M. O'Reilly发现了这件日常小事的奥秘。在教女儿系鞋带的过程中,O’Reilly突发奇想,决心研究这个看似无关痛痒的科学问题:为什么鞋带会自发散开?是怎么散的?这是此前无人回答的问题。

英国当地时间4月12日,在期刊《皇家学会学报A卷》上,他和自己的同事、学生发表了关于“鞋带散了”的科学论文。他们的结论是,鞋带结散开是一个急骤的过程,在跺脚和摆腿两种行为产生的力交织下,鞋带结会无法预料地突然全面散开。

为了观察鞋带结是如何松开的,O’Reilly让实验者在跑步机上正常跑步,并拍下慢动作视频,以便放大整个过程。他们选择系上了人们最常用的奶奶结,这同时也是相对而言比较容易散开的打结方式。

慢动作视频作为诚实的记录者,一目了然地揭示了鞋带结松开的全过程。整个过程有一个显著的分水岭。起初,实验者走了很多步,鞋带结只是有些微小的变化,研究者将这阶段称为“渐变松动期”。而一旦鞋带结开始松动,鞋带结就进入“急性溃败期”,以很快的速度完成散开的骤变。有多快呢?通常是在两、三步之内,每步的时间大约一秒。

研究人员称鞋带结的散开“往往没有预兆,而且是灾难式的”。

有趣的是,研究人员在实验者的鞋舌上安置了一台仪器,来测量走路和跑步时鞋带结所承受到的力。结果显示,跑步时,鞋带结上的合力要大于过山车时人所感受到的力,相当于施加了7个重力加速度。什么概念呢?这几乎等同于一架阿波罗飞船重返地球大气层时所承受的重力加速度。

而合力来自两股力量,一股是脚拍打地面时垂直方向的力,一股是腿摇摆时水平方向的力。研究人员指出,只有两股力“共谋”时,才能完成解开鞋带结的任务。

那么,鞋带结散开到底是一个什么样的机制呢?这和鞋带自由端的受力情况有很大关系,鞋带自由端指的是鞋带尾部。跑步时会跺脚和摆腿,跺脚产生的重力加速度会使得鞋带自由端拉伸;摆腿时则受惯性影响,鞋带自由端同样受到拉力。每跑一步,鞋带结会渐渐地、轻微地松开一些,这意味着打结处的摩擦力在递减。随着鞋带自由端越来越长,拐点来临,局面失控,鞋带结快速散开。

“对鞋带结的这个机制来说,比较有意思的是,你可以让你的鞋带安好地保持很长一段时间,但一旦有一个动作让鞋带结开始变松,这会引发雪崩效应,导致鞋带结散掉。”论文的第二作者、加州伯克利分校研究生Christine Gregg说。

研究人员还发现,比起人们系鞋带时常用的奶奶结,方形结会更不易散开。这在常和结绳打交道的水手和外科医生圈里已经是公认的。

值得一提的是,这不仅是一个关于系鞋带的命题,它的价值半径远比这要远。如果科学家能进一步破解鞋带结之谜,能预测鞋带结散开的拐点在哪儿,那么,这不仅可以应用于外科手术的缝合打结,在深海光缆、登山运动等方面也将发挥作用。你可能想不到的是,这或许对研发抗癌药物也有裨益。DNA在进行自我复制时会解旋、结合双链,而科学家们在探索,是否可以借此放缓癌细胞的生长复制速度。

(记者 王盈颖 王心馨)

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来源:澎湃新闻 | 责任编辑:唐艳飞
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