走著走著，鞋帶怎麼就開了？

圖片來自網路

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少女心爆棚的阿獃：為什麼電視劇里總有為女豬腳綁鞋帶的劇情啊？

遺毒君：為了瑪麗蘇，鞋帶不松故事怎麼發展呢？雖然鞋帶鬆了是再日常不過的事情，不過相信很多人應該都沒有想過為什麼。美國加利福尼亞大學伯克利分校機械工程學教授就正兒八經做實驗研究了這個問題。

立志要用科學打敗瑪麗蘇的壹讀君 | 水泥

不作死就不會死，這句話用在鞋帶鬆了這件事就很生動——如果你坐著不動，鞋帶當然不會鬆開；坐著抖抖二郎腿，鞋帶也不見得會鬆開；一般我們發現鞋帶鬆了，都是在行走中或者奔跑中。可是這是為什麼呢？

這個生活中看起來很普通的問題其實可能有一個科學的答案，對於奧利弗（Oliver M. O Reilly）來說，這就是一個十分重要又有意義的科學問題。懷著好奇心，他和自己的同事學生做了實驗，得出的結論是：鞋帶散開是一個急驟的過程，在跺腳和擺腿兩種行為產生的作用力的交織下，鞋帶可能就會突然全面散開。

為了觀察鞋帶是如何鬆開的，奧利弗通過錄製實驗者在跑步機上正常跑步的慢動作視頻，仔細觀察了鞋帶鬆開的全過程，他們發現主要有兩個階段，一個是「漸變鬆動期」，一個是「急性潰敗期」。

在「漸變鬆動期」，實驗者走了很多步，鞋帶僅有微小的變化（其實在鬆開之前人眼可以觀察到的變化幾乎沒有）；但一旦進入「急性潰敗期」，也就是鞋帶開始鬆動的階段，在某個即將散開的瞬間，鞋帶就能在兩到三步的時間內瞬間「崩潰」，鬆開。

讓鞋帶瞬間崩潰的力量來自於哪裡呢？

研究人員在實驗者的鞋舌上安置了一台儀器，用來測量走路和跑步時鞋帶承受的力。他們發現，跑步時，人們會跺腳和擺腿，跺腳產生的重力加速度使鞋帶自由帶拉伸；擺腿時鞋帶自由端同樣受到慣性影響受到拉力拉伸；每跑一步，鞋帶打結處的摩擦力在遞減，直到某個拐點鞋帶快速散開。

Free end即自由端，也就是鞋帶放飛的部位。

不過為什麼我們也不見得每一次穿了有鞋帶的鞋就會掉鞋帶呢？

首先，我們系鞋帶的方式有很多。Ted Moore就曾經在05年的一次TEDTalk演講中教給觀眾一種綁鞋帶不容易掉的方式。

但日常生活中我們一般系鞋帶常用的方式是奶奶結，但看起來和它差不多一樣有兩個兔耳環的方形結其實就更牢靠。研究人員在實驗過程中就發現方形結就相對不容易鬆開。

左邊是奶奶結，右邊是方形結

其次，什麼時候是鞋帶開始鬆開的拐點呢？事實上，鞋帶總是能夠安好地待上一段時間，直到你某一次比較「作」的動作，鞋帶開始鬆動，就可能會引發雪崩效應直到鞋帶徹底鬆開。

解決了鞋帶松的問題，這項研究成果還可能有助於理解外科手術的縫合打結，深海光纜的糾結和斷裂等等，為其它相關領域的進一步研究發揮作用。

所以如果#壹堆飯#們在生活中也有這樣奇思妙想，千萬不要放過每一個動動腦的機會，說不定每一個你那古怪又讓人想不通的問題，也會有科學又有價值的答案。

資料來源：

1. 《The roles of impact and inertia in the failure of a shoelace knot》，Christopher A. Daily-Diamond, Christine E. Gregg, Oliver M. O Reilly，Proc. R. Soc. A 2017 473 20160770; DOI: 10.1098/rspa.2016.0770. Published 12 April 2017

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