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    跑著跑著鞋帶松了,美國學者發現事情沒那么簡單

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-04-14

    鞋帶散了,這是日常生活中一件每個人都會遭遇的事。但美國加利福尼亞大學伯克利分校機械工程學教授Oliver M. O'Reilly發現了這件日常小事的奧秘。在教女兒系鞋帶的過程中,O’Reilly突發奇想,決心研究這個看似無關痛癢的科學問題:為什么鞋帶會自發散開?是怎么散的?這是此前無人回答的問題。

    英國當地時間4月12日,在期刊《皇家學會學報A卷》上,他和自己的同事、學生發表了關于“鞋帶散了”的科學論文。他們的結論是,鞋帶結散開是一個急驟的過程,在跺腳和擺腿兩種行為產生的力交織下,鞋帶結會無法預料地突然全面散開。

    為了觀察鞋帶結是如何松開的,O’Reilly讓實驗者在跑步機上正常跑步,并拍下慢動作視頻,以便放大整個過程。他們選擇系上了人們最常用的奶奶結,這同時也是相對而言比較容易散開的打結方式。

    慢動作視頻作為誠實的記錄者,一目了然地揭示了鞋帶結松開的全過程。整個過程有一個顯著的分水嶺。起初,實驗者走了很多步,鞋帶結只是有些微小的變化,研究者將這階段稱為“漸變松動期”。而一旦鞋帶結開始松動,鞋帶結就進入“急性潰敗期”,以很快的速度完成散開的驟變。有多快呢?通常是在兩、三步之內,每步的時間大約一秒。

    研究人員稱鞋帶結的散開“往往沒有預兆,而且是災難式的”。

    有趣的是,研究人員在實驗者的鞋舌上安置了一臺儀器,來測量走路和跑步時鞋帶結所承受到的力。結果顯示,跑步時,鞋帶結上的合力要大于過山車時人所感受到的力,相當于施加了7個重力加速度。什么概念呢?這幾乎等同于一架阿波羅飛船重返地球大氣層時所承受的重力加速度。

    而合力來自兩股力量,一股是腳拍打地面時垂直方向的力,一股是腿搖擺時水平方向的力。研究人員指出,只有兩股力“共謀”時,才能完成解開鞋帶結的任務。

    那么,鞋帶結散開到底是一個什么樣的機制呢?這和鞋帶自由端的受力情況有很大關系,鞋帶自由端指的是鞋帶尾部。跑步時會跺腳和擺腿,跺腳產生的重力加速度會使得鞋帶自由端拉伸;擺腿時則受慣性影響,鞋帶自由端同樣受到拉力。每跑一步,鞋帶結會漸漸地、輕微地松開一些,這意味著打結處的摩擦力在遞減。隨著鞋帶自由端越來越長,拐點來臨,局面失控,鞋帶結快速散開。

    “對鞋帶結的這個機制來說,比較有意思的是,你可以讓你的鞋帶安好地保持很長一段時間,但一旦有一個動作讓鞋帶結開始變松,這會引發雪崩效應,導致鞋帶結散掉。”論文的第二作者、加州伯克利分校研究生Christine Gregg說。

    研究人員還發現,比起人們系鞋帶時常用的奶奶結,方形結會更不易散開。這在常和結繩打交道的水手和外科醫生圈里已經是公認的。

    值得一提的是,這不僅是一個關于系鞋帶的命題,它的價值半徑遠比這要遠。如果科學家能進一步破解鞋帶結之謎,能預測鞋帶結散開的拐點在哪兒,那么,這不僅可以應用于外科手術的縫合打結,在深海光纜、登山運動等方面也將發揮作用。你可能想不到的是,這或許對研發抗癌藥物也有裨益。DNA在進行自我復制時會解旋、結合雙鏈,而科學家們在探索,是否可以借此放緩癌細胞的生長復制速度。

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