Исследование — больше, чем пример ответа науки на, казалось бы, очевидный вопрос. Лучшее понимание узловой механики необходимо для более точного понимания того, как узловые конструкции разрушаются под действием различных сил.
Используя камеру замедленного действия и серию экспериментов, исследование показывает, что разрушение узла шнурка происходит в считанные секунды в результате сложного взаимодействия сил.«Когда вы говорите о узловых структурах, если вы начнете понимать шнурки, тогда вы сможете применить их к другим вещам, таким как ДНК или микроструктуры, которые терпят неудачу под действием динамических сил», — сказал Кристофер Дейли-Даймонд, соавтор исследования, и аспирант Беркли. «Это первый шаг к пониманию того, почему одни узлы лучше других, чего на самом деле еще никто не делал».
Исследование будет опубликовано 12 апреля в журнале Proceedings of the Royal Society A.Есть два способа завязать обычный узел галстука-бабочки на шнурках, и один из них крепче другого, но никто не знает почему. Крепкий вариант узла основан на квадратном узле: два кружевных перекрещивания разнонаправленных сторон друг на друга.
Слабая версия основана на ложном узле; два кружевных пересечения имеют одинаковую ручку, из-за чего узел скручивается, а не лежит ровно при затяжке. Настоящее исследование показывает, что обе версии терпят неудачу одинаково, и закладывает основу для будущего исследования того, почему две похожие структуры имеют разную структурную целостность.«Мы пытаемся понять узлы с точки зрения механики, например, почему вы можете взять две нити и соединить их определенным образом, который может быть очень прочным, но другой способ их соединения очень слаб», — сказал Оливер О’Рейли. профессор машиностроения из Беркли, лаборатория которого проводила исследования. «Мы смогли показать, что слабый узел всегда будет выходить из строя, а сильный узел не будет работать в определенном временном масштабе, но мы до сих пор не понимаем, почему между этими двумя узлами существует фундаментальная механическая разница».Цель нового исследования состояла в том, чтобы развить базовое понимание механики того, как узел шнурка-бабочка развязывается под действием динамических сил.
Предыдущие исследования описали, как узловые конструкции разрушаются при длительных нагрузках, но мало исследований показали, как узловые конструкции разрушаются под динамическим давлением изменяющихся сил и нагрузок.Первым шагом была запись процесса развязывания узла шнурка в замедленной съемке. Соавтор исследования и аспирантка Кристин Грегг, бегунья, зашнуровала кроссовки и бегала по беговой дорожке, пока ее коллеги снимали ее обувь.Исследователи обнаружили, что узел на шнурке развязывается следующим образом: во время бега ваша ступня ударяется о землю с силой, в семь раз превышающей силу тяжести.
Узел растягивается, а затем расслабляется в ответ на эту силу. Когда узел ослабляется, качающаяся нога прикладывает силу инерции к свободным концам шнурков, что быстро приводит к выходу узла из строя всего за два шага после того, как инерция действует на шнурки.«Чтобы развязать узлы, я тяну за свободный конец галстука-бабочки, и он развязывается.
Узел шнурка развязывается из-за того же движения», — сказал Грегг, сотрудник канцлера Беркли. «Силы, которые вызывают это, исходят не от человека, тянущего за свободный конец, а от инерционных сил ноги, раскачивающейся вперед и назад, когда узел ослабляется от ботинка, многократно ударяясь о землю».В дополнение к динамическому взаимодействию сил, действующих на узел, отснятый материал также показал большую величину ускорения в основании узла. Чтобы копнуть глубже, исследователи затем использовали маятник, чтобы повернуть узел шнурка и проверить механику узла, используя множество различных шнурков.«Некоторые шнурки могут быть лучше других для завязывания узлов, но мы считаем, что основная механика, приводящая к их выходу из строя, одна и та же», — сказал Грегг.
Исследователи также проверили свою теорию о том, что увеличение силы инерции на свободных концах может вызвать разрушение узла. Они добавили веса к свободным концам шнурков на качающемся узле и увидели, что узлы выходят из строя с большей скоростью, поскольку силы инерции на свободных концах увеличиваются.«Вам действительно нужна импульсная сила у основания узла и сила натяжения свободных концов и петель», — сказал Daily-Diamond. «Похоже, вы не можете получить отказ от узлов без обоих».Конечно, когда человек идет или бежит, его шнурки не всегда развязываются.
Плотно завязанные шнурки могут потребовать большего количества циклов ударов и раскачивания ног, чтобы вызвать разрыв узла, чем можно было бы испытать за день ходьбы или бега. Необходимы дополнительные исследования, чтобы выделить все переменные, участвующие в этом процессе.
Но исследование предлагает ответ на надоедливый вопрос о том, почему ваши шнурки кажутся прекрасными в одну минуту, а в следующую — развязываются.«Что интересно в этом механизме, так это то, что ваши шнурки могут оставаться в порядке в течение очень долгого времени, и только после того, как вы совершите небольшое движение, чтобы вызвать ослабление, начинается этот лавинный эффект, ведущий к разрыву узла», — сказал Грегг.