“鞋帶松開”的背后有什么秘密？

平時在走路、跑步等運動時，鞋帶跟著腿腳不停晃動，時間一長就會漸漸松開。或許你從未在意，這是一件司空見慣的小事，可是科學家卻不這么看。

科學家盯上了鞋帶打結

鞋帶打結，只是生產生活中“結”的其中一種形式。除了系鞋帶之外，手術后在傷口上縫線要用結，建筑工地上使用的鋼纜也是結，電線里面數根銅線也以結的形式延伸，甚至我們的生命密碼——DNA本身就是一條纏繞的結……

在大自然、人類社會里，結到處都有，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，最常見的鞋帶打結就成了科學家重點研究的對象。

美國加州大學伯克利分校有一位機械工程師對打結十分好奇，并進行了深入的研究。他發現鞋帶打結基本上只有兩種方法，一種較結實，另一種較弱。較弱的打結法俗稱為“奶奶結”（又稱活結），一手執一端，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，拉住左端從交叉點到末端的中間，從右鞋帶下面掏出來，并系住。

較結實的打結方法被稱為“平方結”（又稱死結），差別在于當鞋帶兩端第二次成十字交叉時，不再拉住左端從交叉點到末端的中間，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很容易松開？要弄清楚這個問題，必須從解結的過程上入手。研究人員找到志愿者，將傳感器綁到他的鞋上，并附著在鞋帶結上。這樣，每當志愿者走路、跑步時，鞋帶結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和傳感器綁在胳膊上，并使胳膊不停地擺動（相當于腿的擺動），從而分析結的受力情況。這些都被視頻記錄了下來。

通過視頻的慢動作回放，研究人員發現，跑步時平方結一般不會松開；奶奶結剛開始比較結實，但后來當它出現一點松動時，再跑不到兩步，就會徹底松開。而且，當志愿者的腿僅僅來回擺動時，奶奶結不會松開；當他的腳僅僅在地上不斷踩踏時，奶奶結也不會松開。

研究人員推測，奶奶結之所以松開，肯定與擺動和踩踏之間的某些相互作用力有關。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生的撞擊力非常大，正是這種力量使結慢慢變形，乃至松開。

腿來回擺動時，鞋帶打結后露出的兩端會隨之而不斷晃動，圍繞著結而相互抽打。這會產生一股力，拉扯鞋帶兩端，就相當于人們解鞋帶時的拉扯力。另一方面，腳不斷踩踏地面時，鞋帶結的兩端所受撞擊力增加，于是當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生更大的拉扯力。正是這股新的拉扯力，使鞋帶結慢慢滑動，逐漸松動，最終徹底松開。

研究打結的普遍意義

隨著對鞋帶打結的深入研究，科學家對結的構造更加了解，這對今天的微觀研究非常有幫助。

在關于DNA及其他分子構成的微觀結構研究里，科學家正在試圖構造這種結構，因為它用途很廣。比如“DNA折紙術”，就是利用天然DNA的長鏈與短鏈，重新進行折疊、構造，進而繪出方形、星形等其他形狀的圖案。

利用這項技術，科學家曾經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，還可以制造出先進的微芯片、智能藥物等微觀結構的物品。這些微觀結構幾乎都以結的形式存在，而且復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。故此，未來科學家對鞋帶打結的研究可能還會繼續進行，甚至還要繪出它在松開過程中的運動軌跡，從而徹底揭開鞋帶松開的秘密。

本文源自大科技<百科新說> 2017年第8期雜志文章