Dlaczego twoje sznurowadła zawsze się rozwiązują

Tajemnica, dlaczego twoje sznurówki ciągle się rozwiązują, może wreszcie znaleźć rozwiązanie.

Badanie jest czymś więcej niż przykładem nauki odpowiadającej na pozornie oczywiste pytanie. Lepsze zrozumienie mechaniki węzłów może zapewnić lepszy wgląd w to, w jaki sposób zawęźlone struktury zawodzą pod wpływem różnych sił.

Wykorzystując kamerę w zwolnionym tempie i serię eksperymentów, badanie pokazuje, że pęknięcie węzła sznurowadła następuje w ciągu kilku sekund, wywołane złożoną interakcją sił.

„Kiedy mówisz o strukturach wiązanych, jeśli możesz zacząć rozumieć sznurowadło, możesz zastosować je do innych rzeczy, takich jak DNA lub mikrostruktury, które zawodzą pod wpływem sił dynamicznych” – mówi Christopher Daily-Diamond, współautor badania i doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

„To pierwszy krok w kierunku zrozumienia, dlaczego niektóre węzły są lepsze od innych, czego tak naprawdę nikt nie zrobił”.


wewnętrzna grafika subskrypcji


Istnieją dwa sposoby zawiązania zwykłej muszki sznurowadła i jeden jest mocniejszy od drugiego, ale nikt nie wie dlaczego. Mocna wersja węzła opiera się na węźle kwadratowym: dwa koronkowe skrzyżowania o przeciwnych kierunkach na sobie. Słaba wersja opiera się na fałszywym węźle; dwa skrzyżowania koronki mają tę samą ręczność, powodując, że węzeł skręca się, zamiast leżeć płasko po zaciśnięciu.

Obecne badanie pokazuje, że obie wersje zawodzą w ten sam sposób i kładą podwaliny pod przyszłe badania, dlaczego te dwie podobne struktury mają różne integralności strukturalne.

„Próbujemy zrozumieć węzły z perspektywy mechaniki, na przykład dlaczego można wziąć dwie nici i połączyć je w określony sposób, który może być bardzo mocny, ale inny sposób łączenia ich jest bardzo słaby” – mówi Oliver O'Reilly. profesor inżynierii mechanicznej, którego laboratorium prowadziło badania. „Udało nam się pokazać, że słaby węzeł zawsze zawiedzie, a silny węzeł zawiedzie w określonej skali czasu, ale nadal nie rozumiemy, dlaczego między tymi dwoma węzłami istnieje zasadnicza mechaniczna różnica”.

Celem nowych badań było wypracowanie podstawowej wiedzy na temat mechaniki rozwiązywania węzła muszki sznurowadła pod wpływem sił dynamicznych. Wcześniejsze badania opisywały, w jaki sposób zawęźlone struktury zawodzą pod stałymi obciążeniami, ale niewiele badań wykazało, jak zawęźlone struktury zawodzą pod wpływem dynamicznych nacisków zmieniających się sił i obciążeń.

Pierwszym krokiem było nagranie procesu wiązania sznurowadła w zwolnionym tempie. Współautorka badań i studentka Christine Gregg, biegaczka, zasznurowała buty do biegania i biegała na bieżni, podczas gdy jej koledzy filmowali jej buty.

Naukowcy odkryli, że węzeł sznurowadła rozwiązuje się w następujący sposób: podczas biegu stopa uderza o ziemię z siedmiokrotną siłą grawitacji. W odpowiedzi na tę siłę węzeł rozciąga się, a następnie rozluźnia. Gdy węzeł się rozluźnia, ruchoma noga wywiera siłę bezwładności na wolne końce sznurowadeł, co szybko prowadzi do uszkodzenia węzła w ciągu zaledwie dwóch kroków po zadziałaniu bezwładności na sznurowadła.

„Aby rozwiązać węzły, pociągam za wolny koniec muszki i się rozpina. Węzeł sznurowadła rozwiązuje się w wyniku tego samego ruchu” – mówi Gregg. „Siła, która to powoduje, nie pochodzi od osoby ciągnącej za wolny koniec, ale od sił bezwładności nogi kołyszącej się tam i z powrotem, podczas gdy węzeł jest poluzowywany z buta, wielokrotnie uderzając o ziemię”.

Oprócz dynamicznej interakcji sił na węźle, materiał filmowy ujawnił również duże przyspieszenie u podstawy węzła. Aby kopać głębiej, naukowcy wykorzystali wahadło uderzające, aby wymachiwać węzłem sznurowadła i przetestować mechanikę węzła przy użyciu różnych sznurowadeł.

„Niektóre sznurowadła mogą być lepsze niż inne do wiązania węzłów, ale podstawowa mechanika powodująca ich awarię jest taka sama, jak sądzimy” – mówi Gregg.

Naukowcy przetestowali również swoją teorię, że zwiększenie sił bezwładności na wolnych końcach spowoduje niekontrolowane uszkodzenie węzła. Dodawali ciężarki do wolnych końców sznurowadeł na kołyszącym się węźle i zauważyli, że węzły zawodzą z większą szybkością, gdy siły bezwładności na wolnych końcach wzrastają.

„Naprawdę potrzebujesz zarówno siły impulsowej u podstawy węzła, jak i sił ciągnących wolnych końców i pętli”, mówi Daily-Diamond. „Nie wydaje się, aby nie doszło do porażki węzła bez obu”.

Oczywiście, gdy ktoś idzie lub biega, nie zawsze rozwiązuje sznurowadła. Mocno zawiązane sznurowadła mogą wymagać więcej cykli uderzeń i kołysania nogami, aby spowodować uszkodzenie węzła, niż można by doświadczyć podczas całodniowego chodzenia lub biegania. Potrzebne są dalsze badania, aby oddzielić wszystkie zmienne zaangażowane w ten proces. Ale badanie daje odpowiedź na irytujące pytanie, dlaczego twoje sznurówki w jednej chwili wydają się w porządku, a w następnej rozwiązują się.

„Interesującą rzeczą w tym mechanizmie jest to, że sznurowadła mogą pozostawać w porządku przez naprawdę długi czas i dopiero po małym ruchu, który powoduje poluzowanie, rozpoczyna się efekt lawinowy prowadzący do uszkodzenia węzła” – mówi Gregg.

{youtube}_-aiynIphTw{/youtube}

Badanie pojawia się w Postępowanie Royal Society A.

Źródło: UC Berkeley

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon