结力学之谜：从绑更好鞋带到研究DNA！

鞋带是伟大的，直到他们被解开

加利福尼亚大学伯克利分校的机械工程教授Oliver O'Reilly有我们大多数人一样,存在一个困扰。

“鞋带总是不听使唤,自动打开，”他说“我从来不明白为什么会发生这种事情。”

教授O'Reilly不关心怎么打结更好的问题。他和他的同事Christopher Daily-Diamond和Christine Gregg只是试图理解鞋带烦恼背后的机制。他们的研究结果发表在“皇家学会会刊Proceedings of the Royal Society A” 。

运动中的惯性力造成了鞋带困扰

根据他们的研究结果，当你的脚撞到地面上时，会产生大量的惯性力，有时惯性力达到重力的七倍，这会使结的形状变形。同时，随着你的脚摆动，鞋带的拍打动作增加了额外的力量。 这些力量结合在一起，您的鞋带就不听你使唤，自己打开了。

O'Reilly说：“我们从同事那里借了一台高速摄像机。”“我们的成员Christine穿上跑鞋，在跑步机上跑步，并使用慢动作录像他自己鞋带的故事。你真的可以看到鞋带解开了。“

该研究强调了高速摄像机在科学研究中日益增长的优势。 O'Reilly喜欢研究各种数学模型，对机械或物理系统进行分析。 例如，一个叫做Euler的盘子的玩具，它基本上是一个在镜面上旋转的磁盘。 当磁盘丢失能量时，镜子开始振动，然后磁盘升起。“你可以为此建立一个模型，”O'Reilly说，“但是如果用高速摄像机来看，甚至是从iPhone手机的慢动作回放看，你可以看到镜面由于磁盘振动产生了波形。你可以看到你通常看不到的那些效果，你可以说：哦，我需要将它们考虑在我要研究的系统模型里”。

科学家对物理系统的了解越多，数学模型越好，越有利于对新事物的建模和理解。未来有一天，我们会设计一个听话的结，它会一直牢牢的，直到我们想解开它的时候，它才能打开。

钟摆实验用于测试结类型

研究人员还把不同形式的结系在摆锤上，系统地测试了哪些结是牢靠的，也就是哪些结是不容易打开的。一些结的确比别的更强，但是所有的结最终都失败了，都在摆锤的反复摆动中解开了。

通过实验我们知道哪一个结是更牢靠一些

O'Reilly强调，这个研究才刚刚开始，远没有结束。一个结最终被打开的物理力学机理仍然不太清楚。 而且当我们进行其他更复杂的运动时，会对结产生不同力的作用，这些情况下的结会发生什么，这都是一个个科学谜题。

总是可以穿不需要系鞋带的滑板鞋 

表面上，理解结可能不是一件大事。 毕竟，人们总是可以穿不需要系鞋带的滑板鞋 。但结也存在这广泛的应用。

结可以应用到DNA或微结构等

“可能开始是借着解鞋带来了解结的结构，但是你也可以尝试把它应用到其他的东西，比如DNA或微结构等等，这些都是动态的结，” Christopher说，“这些复杂问题研究的第一步是为什么某些结比其他的更好，但是目前这方面的工作几乎为零。”

类似地，除了鞋带之外，结还在很多地方使用。有时结也会导致严重的后果。你只需要看一下帆船上的绳索，剧场顶部挂着的灯具，这时候一个坏的结可能对人们生命造成伤害。

手术缝合需要一个不容易打开的结

当然，在手术中也常常打结。O'Reilly说：“了解力如何应用于结，如何影响结，对于手术缝合来说非常重要。令人惊奇的是，外科医生能够将结缝合在身体内，并且缝合结能长时间不被自动打开。”

O'Reilly说。“理解一个结为什么会自动打开，结受到的力是什么，结是怎么动态变形的，这都是非常困难的问题。”

前段时间，科学网发布了一则新闻《科学家摸清鞋带为何会松》

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/4/373327.shtm?id=373327

我看到一则相关的外文报道，就翻译了一下，放在这里，谢谢捧场。