您的鞋帶為何似乎不斷解開自己的謎團終於可以找到解決方案。

該研究不僅僅是科學回答一個看似顯而易見的問題的例子。 對打結力學的更好理解可以為打結結構在各種力作用下如何失效提供更清晰的見解。

使用慢動作相機和一系列實驗，研究表明，鞋帶結失效發生在幾秒鐘內，由力的複雜相互作用引發。

“當你談到打結的結構時，如果你能開始理解鞋帶，那麼你就可以把它應用到其他東西上，比如DNA或微結構，在動態力作用下失敗，”Christopher Daily-Diamond，研究合著者和研究生說。在加州大學伯克利分校。

“這是了解為什麼某些結比其他結更好的第一步，沒有人真正做過。”

常見的鞋帶領結有兩種方法，一種比另一種更強，但沒有人知道為什麼。 結的強烈版本基於一個方形結：兩個相反的手性交叉的鞋帶交叉。 弱版本基於錯誤結; 兩個花邊交叉具有相同的手性，使得結在收緊時扭曲而不是平躺。

目前的研究表明，兩種版本都以同樣的方式失敗，並為將來調查兩種類似結構具有不同結構整合性的原因奠定了基礎。

“我們試圖從力學的角度理解結，例如為什麼你可以採取兩條線並以一種非常強大的方式連接它們，但另一種連接它們的方式非常薄弱，”Oliver O'Reilly說，機械工程教授，他的實驗室進行了這項研究。 “我們能夠證明，弱結將永遠失敗，強結將在一定時間內失敗，但我們仍然不明白為什麼這兩個結之間存在根本的機械差異。”

這項新研究的目的是建立一個基線理解鞋帶蝴蝶結結如何在動態力下解開的機制。 以前的研究已經描述了打結結構在持續載荷下如何失效，但很少有研究表明打結結構在變化的力和載荷的動態壓力下是如何失效的。

第一步是記錄鞋帶結以慢動作解開的過程。 研究合著者和研究生剋里斯汀格雷格（一名跑步者）穿上一雙跑鞋，在跑步機上跑步，同時她的同事拍攝了她的鞋子。

研究人員發現鞋帶結是這樣解開的：跑步時，你的腳以七倍的重力撞擊地面。 該結伸展然後放鬆以響應該力。 當結鬆開時，擺動腿在鞋帶的自由端上施加慣性力，在慣性作用在鞋帶上之後，在兩個步幅中迅速導致結的失效。

“為了解開我的結，我拉上領結的自由端，它就會鬆開。 由於同樣的運動，鞋帶結解開，“格雷格說。 “引起這種情況的力量不是來自一個人拉動自由端，而是來自腿的慣性力來回擺動，同時結從鞋上鬆開，反复撞擊地面。”

除了結之間力的動態相互作用之外，鏡頭還顯示了結底部的大幅度加速度。 為了更深入地挖掘，研究人員然後使用撞擊擺來擺動鞋帶結並使用各種不同的鞋帶測試結節力學。

“一些鞋帶可能比其他鞋帶更好地打結，但是導致它們失效的基本機制是相同的，我們相信，”格雷格說。

研究人員還測試了他們的理論，即增加自由端的慣性力會引發結的失控失效。 他們在擺動的結上增加了鞋帶的自由端的重量，並且隨著自由端上的慣性力的增加，鋸子在更高的速率下失效。

“你真的需要在結底部的衝動力，你需要自由端和環的拉力，”Daily-Diamond說。 “沒有兩者，你似乎無法解決結。”

當然，當一個人走路或跑步時，他們的鞋帶並不總是解開。 係緊的鞋帶可能需要更多的衝擊和腿部擺動週期，導致結節失效，而不是一天的行走或跑步。 需要更多的研究來梳理該過程中涉及的所有變量。 但是這項研究確實提供了一個令人討厭的問題的答案：為什麼你的鞋帶在一分鐘內顯得很好然後在下一個時間解開。

“關於這種機制的有趣之處在於你的鞋帶在很長一段時間內都能保持良好狀態，直到你得到一點動作導致鬆動才會導致這種雪崩效應導致結失效，”格雷格說。

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該研究出現在 英國皇家學會會議錄A..

資源： 加州大學伯克利分校

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