為什麼鞋帶總是自己鬆開呢?這個團隊可能找到了背後的原因

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 27 日 8:27 | 分類 科技趣聞 follow us in feedly

每天早上,你將鞋子穿上並且綁好鞋帶後出門,走沒幾步卻發現鞋帶鬆脫了,於是你只好彎下腰再把鞋帶繫上,為什麼綁緊的鞋帶還是會鬆開呢?現在有一群科學家解開了這個謎題,而這項發現也可運用在相當廣泛的領域中,包含手術和癌症解藥。




「我們幾乎每天都遇到鞋帶鬆開的問題,然而我們很少去問為什麼它會發生。」美國麻薩諸塞州威廉士學院的數學家 Colin Adams 表示。「可以確定的是,平結(square knot)較老奶奶結(granny knot,反向方結)不易脫落。這兩個結十分相似,然而老奶奶結的兩個繩圈會指向相反的方向。」(詳情請見 Terry Moore:How to Tie Your Shoes

為了找出鞋帶鬆開的原因,美國柏克萊大學的機械工程師 Oliver O’Reilly 和他的同事組成研究團隊進行測試。他們請自願者綁上老奶奶結後在跑步機上走路,繩結上裝有加速儀以測量每走一步時,繩子所承受的加速度(地心引力)。在慢動作影片中,他們發現了鞋帶鬆開的兩個階段:首先鞋帶隨著每個步伐逐漸鬆開,接著它會在一瞬間完全鬆脫。而當鞋帶開始鬆動後,再走兩步它就會完全鬆開。研究團隊對於鞋帶上下擺動時所承受的地心引力感到相當驚訝,因為這股引力比任何雲霄飛車所能產生的力量都還要大。

▲ 老奶奶結和平結。(SourceScience

在這之中「走動」是最重要的關鍵。同樣的結在測試者原地踏步或是坐著搖晃他們的腳時不會這樣鬆開。研究團隊在英國科學雜誌《Proceedings of the Royal Society》上表示,「單就原地踏步或搖晃雙腳的力量無法使鞋帶鬆脫。」Oliver O’Reilly 認為這兩者結合所產生的效應才會使鞋帶鬆開。

研究團隊接著針對繩結鬆開所需時間與鞋帶脫落速度設計了一場實驗。他們利用擺錘模擬腳的擺動,並且使擺錘撞擊一個盤子來模擬鞋子與地面之間的衝擊力道。而鞋帶兩端被加上額外的重量,這個重量可以模擬鞋帶在鞋子上擺動的強度。研究團隊在完成這樣的設計後,便能準確地測量平結與老奶奶結各自的鬆脫速度。

這項經過設計的實驗與測試者在跑步機上走動的結果相互印證。在擺錘來回擺動並且撞擊盤子時,這兩個結都以十分緩慢的速度鬆脫,在鬆脫到一定程度後,它們就會以極快的速度完全鬆開。這項實驗也發現了平結優異的穩定性,在所有的實驗中,老奶奶結每次都會鬆脫,但是平結只有一半的機率會如此。

不過即便證實了平結的穩定性較佳,他們也無法解釋背後的原因。Adams 則認為這和繩子在繩結中交疊的方式以及繩結的強度有關。「如果你可以預測繩結何時會脫落,那麼同樣的原理就可以被運用在其他領域上。」這包含繩子在術後傷口縫合、船隻與登山等方面的應用。除此之外,DNA 在自我複製時也會運用到相似的原理,而科學家們已經在利用這樣的特性來研發可以減緩腫瘤增長速度的藥物。

(首圖來源:Converse

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