“鞋带松开”的背后有什么秘密？

平时在走路、跑步等运动时，鞋带跟着腿脚不停晃动，时间一长就会渐渐松开。或许你从未在意，这是一件司空见惯的小事，可是科学家却不这么看。

科学家盯上了鞋带打结

鞋带打结，只是生产生活中“结”的其中一种形式。除了系鞋带之外，手术后在伤口上缝线要用结，建筑工地上使用的钢缆也是结，电线里面数根铜线也以结的形式延伸，甚至我们的生命密码——DNA本身就是一条缠绕的结……

在大自然、人类社会里，结到处都有，它把两种、三种，甚至多种东西缠绕在一起，而且紧紧连接起来。如果不解开它，就根本不了解它到底是怎么形成的。于是，最常见的鞋带打结就成了科学家重点研究的对象。

美国加州大学伯克利分校有一位机械工程师对打结十分好奇，并进行了深入的研究。他发现鞋带打结基本上只有两种方法，一种较结实，另一种较弱。较弱的打结法俗称为“奶奶结”（又称活结），一手执一端，拿起鞋带两端，先把两端交叉成十字，右端在上左端在下，再把右端沿左鞋带绕一圈，并拉上来；然后双手再次各执一端，成十字交叉，左端在上右端在下；最后把左端往下折，拉住左端从交叉点到末端的中间，从右鞋带下面掏出来，并系住。

较结实的打结方法被称为“平方结”（又称死结），差别在于当鞋带两端第二次成十字交叉时，不再拉住左端从交叉点到末端的中间，而是拉住末端，从右鞋带下面掏出来，并系紧。

生活中，这两种方法也很常见，但是它们所隐含的力学原理却没那么简单。

撞击力与拉扯力的相互作用

研究人员好奇为什么鞋带的活结很容易松开？要弄清楚这个问题，必须从解结的过程上入手。研究人员找到志愿者，将传感器绑到他的鞋上，并附着在鞋带结上。这样，每当志愿者走路、跑步时，鞋带结所承受的力就会被检测并记录下来。同时，研究人员还把同样的结和传感器绑在胳膊上，并使胳膊不停地摆动（相当于腿的摆动），从而分析结的受力情况。这些都被视频记录了下来。

通过视频的慢动作回放，研究人员发现，跑步时平方结一般不会松开；奶奶结刚开始比较结实，但后来当它出现一点松动时，再跑不到两步，就会彻底松开。而且，当志愿者的腿仅仅来回摆动时，奶奶结不会松开；当他的脚仅仅在地上不断踩踏时，奶奶结也不会松开。

研究人员推测，奶奶结之所以松开，肯定与摆动和踩踏之间的某些相互作用力有关。这个猜测很快得到了证实，传感器显示，跑步过程中脚踩踏地面时产生的撞击力非常大，正是这种力量使结慢慢变形，乃至松开。

腿来回摆动时，鞋带打结后露出的两端会随之而不断晃动，围绕着结而相互抽打。这会产生一股力，拉扯鞋带两端，就相当于人们解鞋带时的拉扯力。另一方面，脚不断踩踏地面时，鞋带结的两端所受撞击力增加，于是当摆动带来的拉扯力与撞击力叠加，这股新的力就会对鞋带产生更大的拉扯力。正是这股新的拉扯力，使鞋带结慢慢滑动，逐渐松动，最终彻底松开。

研究打结的普遍意义

随着对鞋带打结的深入研究，科学家对结的构造更加了解，这对今天的微观研究非常有帮助。

在关于DNA及其他分子构成的微观结构研究里，科学家正在试图构造这种结构，因为它用途很广。比如“DNA折纸术”，就是利用天然DNA的长链与短链，重新进行折叠、构造，进而绘出方形、星形等其他形状的图案。

利用这项技术，科学家曾经在实验室里制造出最大、最精密的物品，就是一份超微型美洲地图，比例尺为1:200万亿。另外，还可以制造出先进的微芯片、智能药物等微观结构的物品。这些微观结构几乎都以结的形式存在，而且复杂程度可能令人难以置信，因为只有这样它才能承受各方面的作用力。故此，未来科学家对鞋带打结的研究可能还会继续进行，甚至还要绘出它在松开过程中的运动轨迹，从而彻底揭开鞋带松开的秘密。

本文源自大科技<百科新说> 2017年第8期杂志文章