Skosnorteori:Videnskaben viser, hvorfor snørebåndene bliver løst

En ny undersøgelse foretaget af maskiningeniører ved UC Berkeley viser endelig, hvorfor dine snørebånd kan blive ved med at løsne sig. Det er et spørgsmål, som alle stiller, ofte efter at have stoppet for at binde deres sko om, endnu en, som ingen havde undersøgt indtil nu. Svaret, undersøgelsen tyder på, er, at et dobbelt slag af trampe- og piskekræfter virker som en usynlig hånd, løsne knuden og derefter trække i de frie ender af dine snørebånd, indtil det hele trævler op.

Undersøgelsen er mere end et eksempel på, at videnskaben besvarer et tilsyneladende indlysende spørgsmål. En bedre forståelse af knudemekanik er nødvendig for skarpere indsigt i, hvordan knudede strukturer svigter under en række forskellige kræfter. Ved hjælp af et slowmotion-kamera og en række eksperimenter, undersøgelsen viser, at snørebåndsknudefejl sker i løbet af få sekunder, udløst af et komplekst samspil af kræfter.

"Når man taler om knudrede strukturer, hvis du kan begynde at forstå snørebåndet, så kan du bruge det til andre ting, som DNA eller mikrostrukturer, der fejler under dynamiske kræfter, " sagde Christopher Daily-Diamond, studie medforfatter og en kandidatstuderende ved Berkeley. "Dette er det første skridt mod at forstå, hvorfor visse knob er bedre end andre, hvilket ingen rigtig har gjort."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort den 12. april i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society A .

Der er to måder at binde den almindelige snørebåndsknude på, og den ene er stærkere end den anden, men ingen ved hvorfor. Den stærke udgave af knuden er baseret på en firkantet knude:to blondekrydsninger af modsat hænder oven på hinanden. Den svage version er baseret på en falsk knude; de to kniplinger har samme håndhed, får knuden til at sno sig i stedet for at ligge fladt, når den strammes. Den aktuelle undersøgelse viser, at begge versioner fejler på samme måde, og lægger grundlaget for fremtidig undersøgelse af, hvorfor de to ens strukturer har forskellige strukturelle integriteter.

"Vi forsøger at forstå knob fra et mekanikperspektiv, såsom hvorfor du kan tage to tråde og forbinde dem på en bestemt måde, der kan være meget stærk, men en anden måde at forbinde dem på er meget svag, " sagde Oliver O'Reilly, en Berkeley professor i maskinteknik, hvis laboratorium udførte forskningen. "Vi var i stand til at vise, at den svage knude altid vil svigte, og den stærke knude vil svigte på en vis tidsskala, men vi forstår stadig ikke, hvorfor der er en grundlæggende mekanisk forskel mellem de to knob."

Målet med det nye studie var at udvikle en grundlæggende forståelse af mekanikken i, hvordan en snørebåndsknude bliver løst under dynamiske kræfter. Tidligere undersøgelser har beskrevet, hvordan knudrede strukturer fejler under vedvarende belastninger, men lidt forskning har vist, hvordan knudrede strukturer svigter under det dynamiske pres fra skiftende kræfter og belastninger.

Det første skridt var at optage processen med en snørebåndsknude, der løsnes i slowmotion. Studie medforfatter og kandidatstuderende Christine Gregg, en løber, snørede et par løbesko og løb på et løbebånd, mens hendes kollegaer filmede hendes sko.

Forskerne fandt ud af, at en snørebåndsknude løser sig sådan her:Når du løber, din fod rammer jorden med syv gange tyngdekraften. Knuden strækkes og slapper derefter af som reaktion på denne kraft. Når knuden løsnes, det svingende ben påfører en inertikraft på de frie ender af snørebåndene, hvilket hurtigt fører til et svigt af knuden på så få som to skridt efter inerti virker på snørebåndene.

"For at løse mine knuder, Jeg trækker i den frie ende af en butterfly, og den løsnes. Snørebåndsknuden løsnes på grund af den samme slags bevægelse, " sagde Gregg, en Berkeley Chancellor's Fellow. "De kræfter, der forårsager dette, er ikke fra en person, der trækker i den frie ende, men fra benets inertikræfter, der svinger frem og tilbage, mens knuden løsnes fra skoen, der gentagne gange rammer jorden."

Ud over den dynamiske vekselvirkning af kræfter på knuden, optagelserne afslørede også en stor acceleration i bunden af ​​knuden. For at grave dybere, forskerne brugte derefter et stødende pendul til at svinge en snørebåndsknude og teste knudemekanikken ved hjælp af en række forskellige snørebånd.

"Nogle snørebånd er måske bedre end andre til at binde knuder, men den grundlæggende mekanik, der får dem til at fejle, er den samme, vi tror, " sagde Gregg.

Forskerne testede også deres teori om, at stigende inertikræfter på de frie ender ville udløse løbsk svigt af knuden. De tilføjede vægte til de frie ender af snørebåndene på en svingende knude og så, at knuder fejlede med højere hastigheder, efterhånden som inertikræfterne på de frie ender steg.

"Du har virkelig brug for både den impulsive kraft i bunden af ​​knuden og du har brug for trækkræfterne fra de frie ender og løkkerne, " sagde Daily-Diamond. "Du kan ikke synes at få knudefejl uden begge dele."

Selvfølgelig, når en person går eller løber, deres snørebånd kommer ikke altid løs. Tætbundne snørebånd kan kræve flere cyklusser af stød og bensving for at forårsage knudesvigt, end man kan opleve på en dags gang eller løb. Mere forskning er nødvendig for at skille alle de variabler, der er involveret i processen, fra hinanden. Men undersøgelsen giver et svar på det irriterende spørgsmål om, hvorfor dine snørebånd virker fine det ene minut og så løses det næste.

"Det interessante ved denne mekanisme er, at dine snørebånd kan være fine i rigtig lang tid, og det er ikke før du får en lille smule bevægelse til at forårsage løsning, der starter denne lavineeffekt, der fører til knudefejl, " sagde Gregg.