为什么你的鞋带总是未解之谜

您的鞋带为何似乎不断解开自己的神秘谜底终于可以找到解决方案。

该研究不仅仅是科学回答一个看似显而易见的问题的例子。 对打结力学的更好理解可以使人们更深入地了解打结结构在各种力作用下如何失效。

研究显示,使用慢镜头摄像机和一系列实验,鞋带结在几秒钟内发生故障,这是由复杂的力量相互作用引起的。

Christopher Daily-Diamond,研究合着者和一名研究生说:“当你谈论打结的结构时,如果你能开始理解鞋带,那么你可以将它应用于其他东西,如DNA或微结构,在动态的力量下失败。在加州大学伯克利分校。

“这是理解为什么某些节点比其他节点更好的第一步,这是没有人真正做到的。”


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有两种方式可以把普通鞋带领结打结,一种比另一种强,但是没有人知道为什么。 结的强壮的版本是基于一个方形的结:两个相反的手的花边交叉在彼此顶部。 弱版本是基于假结的; 两个花边的交叉处都有相同的左手方向,使得结扭曲,而不是在收紧时平躺。

目前的研究表明,两个版本都以同样的方式失败,为今后调查为什么两个相似的结构具有不同的结构整合奠定了基础。

Oliver O'Reilly说:“我们试图从力学的角度来理解节点,例如为什么你可以把两条链连接起来并以一种非常强大的方式连接它们,但是连接它们的另一种方式是非常弱的。机械工程教授,他的实验室进行了这项研究。 “我们能够证明,弱结总是会失败,强结在一定的时间尺度上将会失败,但是我们仍然不明白为什么这两个结之间存在根本的机械差异。

这项新研究的目标是对动态力量下鞋带领结如何解开的机制进行基本的了解。 以前的研究已经描述了如何在持续载荷下打结结构失效,但是很少有研究表明在变化的力和载荷的动态压力下打结结构是如何失效的。

第一步是记录一个解开慢镜头的鞋带结的过程。 研究合作者和研究生克里斯蒂娜·格雷格(Christine Gregg)跑步时,跑了一双跑鞋,在跑步机上跑步,同时她的同事拍摄了她的鞋子。

研究人员发现,一个鞋带结解开这样的:跑步时,你的脚七倍的重力撞击地面。 结拉伸,然后放松,以响应这种力量。 当结松开时,摆动的腿在鞋带的自由端上施加惯性力,在惯性作用在鞋带上之后,在两个步幅之内迅速导致结的故障。

“为了解开我的结,我拉着领结的自由端,然后解开。 由于同样的动作,鞋带结解开了,“Gregg说。 “造成这种情况的力量并不是来自一个人拉动自由端,而是来自腿的惯性力量来回摆动,而结从鞋子上反复打击地面。”

除了结上的力量的动态相互作用之外,视频还显示了结的基部的大幅加速度。 为了深入研究,研究人员使用一个冲击摆来摆动鞋带结,并用各种不同的鞋带测试结力学。

Gregg说:“有些鞋带可能比其他鞋带打结更好,但是造成它们失败的基本机制是一样的,我们相信。

研究人员还测试了他们的理论,即在自由端增加惯性力会引起结的失控失效。 他们在摆动的结上增加了鞋带的自由端的重量,并且随着自由端上的惯性力的增加,看到结的失败率更高。

Daily-Diamond说:“你真的需要结的基础上的冲动力,你需要自由端和循环的拉力。 “如果没有两个,你似乎无法得到结。

当然,当一个人走路或跑步时,他们的鞋带并不总是解开。 紧密绑扎的鞋带可能需要更多的冲击和腿摆动周期,导致结比一天可能会遇到的行走或跑步经验。 需要更多的研究来梳理过程中涉及的所有变量。 但是,这项研究确实提供了一个令人讨厌的问题,就是为什么你的鞋带看起来好一分钟,然后再解开。

Gregg说:“关于这个机制的有趣之处在于,你的花边可以很长时间好,直到你有一点动作才会引起松动,从而导致雪崩效应导致结头失败。

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该研究出现在 英国皇家学会会议记录A.

Sumber: 加州大学伯克利分校

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