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鞋帶為什么老是松開?

2017-09-21 06:10:47崖子
大科技·百科新說 2017年8期
關(guān)鍵詞:撞擊力鞋帶十字

崖子

平時在走路、跑步等運動時,鞋帶跟著腿腳不?;蝿樱瑫r間一長就會漸漸松開?;蛟S你從未在意,這是一件司空見慣的小事,可是科學(xué)家卻不這么看。

科學(xué)家盯上了鞋帶打結(jié)

鞋帶打結(jié),只是生產(chǎn)生活中“結(jié)”的其中一種形式。除了系鞋帶之外,手術(shù)后在傷口上縫線要用結(jié),建筑工地上使用的鋼纜也是結(jié),電線里面數(shù)根銅線也以結(jié)的形式延伸,甚至我們的生命密碼——DNA本身就是一條纏繞的結(jié)……

在大自然、人類社會里,結(jié)到處都有,它把兩種、三種,甚至多種東西纏繞在一起,而且緊緊連接起來。如果不解開它,就根本不了解它到底是怎么形成的。于是,最常見的鞋帶打結(jié)就成了科學(xué)家重點研究的對象。

美國加州大學(xué)伯克利分校有一位機械工程師對打結(jié)十分好奇,并進行了深入的研究。他發(fā)現(xiàn)鞋帶打結(jié)基本上只有兩種方法,一種較結(jié)實,另一種較弱。較弱的打結(jié)法俗稱為“奶奶結(jié)”(又稱活結(jié)),一手執(zhí)一端,拿起鞋帶兩端,先把兩端交叉成十字,右端在上左端在下,再把右端沿左鞋帶繞一圈,并拉上來;然后雙手再次各執(zhí)一端,成十字交叉,左端在上右端在下;最后把左端往下折,拉住左端從交叉點到末端的中間,從右鞋帶下面掏出來,并系住。

較結(jié)實的打結(jié)方法被稱為“平方結(jié)”(又稱死結(jié)),差別在于當(dāng)鞋帶兩端第二次成十字交叉時,不再拉住左端從交叉點到末端的中間,而是拉住末端,從右鞋帶下面掏出來,并系緊。

生活中,這兩種方法也很常見,但是它們所隱含的力學(xué)原理卻沒那么簡單。

撞擊力與拉扯力的相互作用

研究人員好奇為什么鞋帶的活結(jié)很容易松開?要弄清楚這個問題,必須從解結(jié)的過程上入手。研究人員找到志愿者,將傳感器綁到他的鞋上,并附著在鞋帶結(jié)上。這樣,每當(dāng)志愿者走路、跑步時,鞋帶結(jié)所承受的力就會被檢測并記錄下來。同時,研究人員還把同樣的結(jié)和傳感器綁在胳膊上,并使胳膊不停地擺動(相當(dāng)于腿的擺動),從而分析結(jié)的受力情況。這些都被視頻記錄了下來。

通過視頻的慢動作回放,研究人員發(fā)現(xiàn),跑步時平方結(jié)一般不會松開;奶奶結(jié)剛開始比較結(jié)實,但后來當(dāng)它出現(xiàn)一點松動時,再跑不到兩步,就會徹底松開。而且,當(dāng)志愿者的腿僅僅來回擺動時,奶奶結(jié)不會松開;當(dāng)他的腳僅僅在地上不斷踩踏時,奶奶結(jié)也不會松開。

研究人員推測,奶奶結(jié)之所以松開,肯定與擺動和踩踏之間的某些相互作用力有關(guān)。這個猜測很快得到了證實,傳感器顯示,跑步過程中腳踩踏地面時產(chǎn)生的撞擊力非常大,正是這種力量使結(jié)慢慢變形,乃至松開。

腿來回擺動時,鞋帶打結(jié)后露出的兩端會隨之而不斷晃動,圍繞著結(jié)而相互抽打。這會產(chǎn)生一股力,拉扯鞋帶兩端,就相當(dāng)于人們解鞋帶時的拉扯力。另一方面,腳不斷踩踏地面時,鞋帶結(jié)的兩端所受撞擊力增加,于是當(dāng)擺動帶來的拉扯力與撞擊力疊加,這股新的力就會對鞋帶產(chǎn)生更大的拉扯力。正是這股新的拉扯力,使鞋帶結(jié)慢慢滑動,逐漸松動,最終徹底松開。

研究打結(jié)的普遍意義

隨著對鞋帶打結(jié)的深入研究,科學(xué)家對結(jié)的構(gòu)造更加了解,這對今天的微觀研究非常有幫助。

在關(guān)于DNA及其他分子構(gòu)成的微觀結(jié)構(gòu)研究里,科學(xué)家正在試圖構(gòu)造這種結(jié)構(gòu),因為它用途很廣。比如“DNA折紙術(shù)”,就是利用天然DNA的長鏈與短鏈,重新進行折疊、構(gòu)造,進而繪出方形、星形等其他形狀的圖案。

利用這項技術(shù),科學(xué)家曾經(jīng)在實驗室里制造出最大、最精密的物品,就是一份超微型美洲地圖,比例尺為1:200萬億。另外,還可以制造出先進的微芯片、智能藥物等微觀結(jié)構(gòu)的物品。這些微觀結(jié)構(gòu)幾乎都以結(jié)的形式存在,而且復(fù)雜程度可能令人難以置信,因為只有這樣它才能承受各方面的作用力。故此,未來科學(xué)家對鞋帶打結(jié)的研究可能還會繼續(xù)進行,甚至還要繪出它在松開過程中的運動軌跡,從而徹底揭開鞋帶松開的秘密。endprint

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