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甩鞋帶之謎

2017/4/12 — 17:21

誰都試過鞋帶鬆脫,除了因為物料問題、自己打結時不夠緊,有沒有想過自己鞋帶也綁錯了?

美國柏克萊加大機械工程學教授 Oliver M O’Reilly 在替女兒綁鞋帶時,發覺自己完全不知道鞋帶突然鬆脫的原因,再找答案時,原來學界一直無人做過鞋帶相關物理學研究。(小肥波按: 04 年有人做過耳筒為何會自行打結的研究,可看舊文《耳筒線自動打結之謎》)

O’Reilly 就聯同兩位同事首先要求測試者,以最簡單的平結 (square knot, 團隊代號為 strong) 及外行平結 (granny knot, 團隊代號為 weak) 綁鞋帶,並在跑步機上行走。從慢鏡記錄發現,只需 1-2 步即可令鞋帶自行鬆脫,綁平結的鞋只有 50% 機會「甩鞋帶」,但外行平結則是 100% 鬆脫。

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重點是,什麼是平結、什麼是外行平結呢?不妨看看文首圖,如果還不明白,可看 O’Reilly 團隊製作的圖:

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O'Reilly, O. et al. (2017).

O'Reilly, O. et al. (2017).

事實上,很多人包括小肥波綁鞋帶時會誤用外行平結,令到鞋帶經常鬆脫,如果上圖也看不明,即管看 TED Talk 的影片,真的想不到做了近幾十年人,鞋帶都綁不好:

Anyway, O’Reilly 團隊其後在鞋舌加上加速計,發現我們行路時的撞擊與加速力,相當於阿波羅飛船重新進入地球時所承受的力量。後續的實驗顯示,單是上下踩踏或前後㨪動的動作,不足以令鞋帶鬆脫——必須兩者力量加在一起,重覆且不斷改變方向才可「拉開」繩結。

話說回來,科學家雖然知道平結較為穩妥,但研究亦解釋不到為何會有這個效果。 O’Reilly  團隊估計可能是兩條鞋帶互相搭著的力以及鞋帶結的張力令繩結更為牢固。報告會於《皇家學會報告 A》四月號出版。

這個看似無聊的鞋帶研究其實相當重要,因為外科手術縫合傷口也要打結,研究將有助學界研發更強的纖維,令傷口不易重新裂開。另外, DNA 也在複制時鬆開扭結,研究或為針對緩減癌細胞複制速度藥物研發有用處。

O’Rielly 更鼓勵人觀察自己走路或跑步時,細心留意鞋帶的情況,或會找到重要發現。不過,當然要注意道路及自身安全。

來源:
Science, Why do shoelaces untie themselves? This team may have the answer, 11 April 2017

報告:
Daily-Diamond, C., Gregg,C. & O'Reilly, O. (2017). The Roles of Impact and Inertia in the Failure of a Shoelace Knot. Proceedings of the Royal Society A 2017. doi: 10.1098/rspa.2016.0770 

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