物理学揭示跑步时鞋带解开原因

时间:2017-04-18 09:04:00
作者:冯维维

摘要:美国麻省理工学院研究人员提出了一个最简单的结在运动中受力的方程式:张力、摩擦和刚度以及它们如何与构成结拓扑学的匝数相关。尽管有许多关于各种结配置的耐久性研究,但尚未有人关注过为什么一个结会自动解开的物理学原因。

运动员在系鞋带。PeopleImages/Getty

跺脚和冲刺相结合可以解释鞋带为何会自动解开。
 
2015年,美国麻省理工学院研究人员提出了一个最简单的结在运动中受力的方程式:张力、摩擦和刚度以及它们如何与构成结拓扑学的匝数相关。尽管有许多关于各种结配置的耐久性研究,但尚未有人关注过为什么一个结会自动解开的物理学原因。
 
加州大学伯克利分校的Oliver O’Reilly在看到小女儿的鞋带永远也系不住之后,决定研究自发性的解结。他和两名研究生在现实中做了实验。
 
“我们看上去有些疯狂,因为当我们在伯克利的大厅中走路时也会盯着鞋带自动解开。”该团队成员、酷爱跑步的Christine Gregg说。她在一台跑步机上跑步,让同事以慢动作录制她的鞋子以捕捉鞋带解开的细节。
 
他们发现罪魁祸首是跑步时生成的惯力集合。一个结通常是通过中心的摩擦力在维系。这正是更结实的结匝数更多的原因,每个匝都会产生摩擦力。
 
但跑步时不断向下踩脚则会在结的底部形成加速度,每跑一步鞋带会前后甩动,像一只无形的手一样在末端牵引。最终,当加速度超过内部摩擦力时这个结就会到达临界点,然后立刻自动解开。
 
“一旦脚开始下滑,所有的力量就变得均衡,这样下滑或越来越大。”Gregg说,最后只要再跑一两步整个结就会解开。
 
该团队还发现,单是加度素或甩动并不能让鞋带解开。该团队坐在桌子上摆腿半小时却没有任何作用。他们随后在地面上跺脚半小时,鞋带也没有解开。
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