崖 子

鞋帶為什么老師松開

崖 子

平時在走路、跑步等運(yùn)動時，鞋帶跟著腿腳不停晃動，時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(diǎn)研究的對象。

美國加州大學(xué)伯克利分校有一位機(jī)械工程師對打結(jié)十分好奇，并進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行折疊、構(gòu)造，進(jìn)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(jìn)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。因此，未來科學(xué)家對鞋帶打結(jié)的研究可能還會繼續(xù)進(jìn)行，甚至還要繪出它在松開過程中的運(yùn)動軌跡，從而徹底揭開鞋帶松開的秘密。

（選自2017年08期《大科技·百科新說》）