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鞋带为什么老是松开?

平时在走路、跑步等运动时,鞋带跟着腿脚不停晃动,时间一长就会渐渐松开。或许你从未在意,这是一件司空见惯的小事,可是科学家却不这么看。

科学家盯上了鞋带打结

鞋带打结,只是生产生活中“结”的其中一种形式。除了系鞋带之外,手术后在伤口上缝线要用结,建筑工地上使用的钢缆也是结,电线里面数根铜线也以结的形式延伸,甚至我们的生命密码——DNA本身就是一条缠绕的结……
在大自然、人类社会里,结到处都有,它把两种、三种,甚至多种东西缠绕在一起,而且紧紧连接起来。如果不解开它,就根本不了解它到底是怎么形成的。于是,最常见的鞋带打结就成了科学家重点研究的对象。
美国加州大学伯克利分校有一位机械工程师对打结十分好奇,并进行了深入的研究。他发现鞋带打结基本上只有两种方法,一种较结实,另一种较弱。较弱的打结法俗称为“奶奶结”(又称活结),一手执一端,拿起鞋带两端,先把两端交叉成十字,右端在上左端在下,再把右端沿左鞋带绕一圈,并拉上来;然后双手再次各执一端,成十字交叉,左端在上右端在下;最后把左端往下折,拉住左端从交叉点到末端的中间,从右鞋带下面掏出来,并系住。
较结实的打结方法被称为“平方结”(又称死结),差别在于当鞋带两端第二次成十字交叉时,不再拉住左端从交叉点到末端的中间,而是拉住末端,从右鞋带下面掏出来,并系紧。
生活中,这两种方法也很常见,但是它们所隐含的力学原理却没那么简单。

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撞击力与拉扯力的相互作用

研究人员好奇为什么鞋带的活结很容易松开?要弄清楚这个问题,必须从解结的过程上入手。研究人员找到志愿者,将传感器绑到他的鞋上,并附着在鞋带结上。这样,每当志愿者走路、跑步时,鞋带结所承受的力就会被检测并记录下来。同时,研究人员还把同样的结和传感器绑在胳膊上,并使胳膊不停地摆动(相当于腿的摆动),从而分析结的受力情况。这些都被视频记录了下来。
通过视频的慢动作回放,研究人员发现,跑步时平方结一般不会松开;奶奶结刚开始比较结实,但后来当它出现一点松动时,再跑不到两步,就会彻底松开。而且,当志愿者的腿仅仅来回摆动时,奶奶结不会松开;当他的脚仅仅在地上不断踩踏时,奶奶结也不会松开。
研究人员推测,奶奶结之所以松开,肯定与摆动和踩踏之间的某些相互作用力有关。这个猜测很快得到了证实,传感器显示,跑步过程中脚踩踏地面时产生的撞击力非常大,正是这种力量使结慢慢变形,乃至松开。
腿来回摆动时,鞋带打结后露出的两端会随之而不断晃动,围绕着结而相互抽打。这会产生一股力,拉扯鞋带两端,就相当于人们解鞋带时的拉扯力。另一方面,脚不断踩踏地面时,鞋带结的两端所受撞击力增加,于是当摆动带来的拉扯力与撞击力叠加,这股新的力就会对鞋带产生更大的拉扯力。正是这股新的拉扯力,使鞋带结慢慢滑动,逐渐松动,最终彻底松开。

研究打结的普遍意义

随着对鞋带打结的深入研究,科学家对结的构造更加了解,这对今天的微观研究非常有帮助。
在关于DNA及其他分子构成的微观结构研究里,科学家正在试图构造这种结构,因为它用途很广。比如“DNA折纸术”,就是利用天然DNA的长链与短链,重新进行折叠、构造,进而绘出方形、星形等其他形状的图案。
利用这项技术,科学家曾经在实验室里制造出最大、最精密的物品,就是一份超微型美洲地图,比例尺为1:200万亿。另外,还可以制造出先进的微芯片、智能药物等微观结构的物品。这些微观结构几乎都以结的形式存在,而且复杂程度可能令人难以置信,因为只有这样它才能承受各方面的作用力。故此,未来科学家对鞋带打结的研究可能还会继续进行,甚至还要绘出它在松开过程中的运动轨迹,从而彻底揭开鞋带松开的秘密。

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