奥利弗·奥莱利遇到了一个困扰我们大多数人的难题。
“我的鞋带一直是个慢性问题——它们总是会松开，”他告诉 PopSci。“我一直不明白为什么会这样。”
奥莱利是加州大学伯克利分校的机械工程学教授，他并不想打一个更好的绳结——至少现在不想。他和他的同事克里斯托弗·戴利-戴蒙德和克里斯汀·格雷格只是想了解这种持续存在的鞋带松开的机制。他们的研究结果今天发表在《英国皇家学会会刊A辑》杂志上。
根据他们的发现，当你的脚触地时，那个糟糕的绳结会承受巨大的力——有时是重力的七倍，即7g——这会使绳结变形。同时，当你的脚摆动时，鞋带的拍打动作会产生额外的力。这些力结合在一起，就会轻易地让你的鞋带从系紧变成松开。
“我们从一位同事那里借来了一台高速运动相机，”奥莱利说。“克里斯汀（格雷格，该研究的合著者）穿上跑鞋在跑步机上跑步——慢动作视频说明了一切。你可以清楚地看到鞋带松开了。”
这项研究突显了高速相机在科学研究中的日益增长的好处。奥莱利喜欢开发数学模型并分析它们在机械或物理系统中的应用。他提到了一个名为“欧拉圆盘”的玩具，它本质上是一个在一个镜面上旋转的圆盘。随着圆盘能量的损失，镜子开始振动——然后圆盘会抬离。
“你可以为此开发一个模型，”奥莱利说，“但如果你用高速相机，甚至是用iPhone的慢动作来观察它，你实际上可以看到镜面被圆盘振动时产生的波。你可以看到那些通常看不到的效果，然后你可以说，‘哦，我需要将这些包含在我为系统开发的任何模型中。’”
科学家们对物理系统的了解越多，数学模型就能做得越好，他们也就能更好地模拟新事物——也许有一天，能发明一种我们想让它解开时才会解开的绳结。
研究人员还将打有不同绳结的鞋带放在摆锤上，系统地测试哪些绳结牢固——即不易松开——哪些绳结脆弱。有些绳结比其他的更牢固，但所有绳结最终都会失效。
奥莱利强调，这仅仅是一个开始，而不是终点。一个绳结为何会失效的物理机制——即是什么让一个牢固的绳结比一个脆弱的绳结更持久——仍然不为人所知。而绳结更广泛的物理力学，或者将不同力施加到绳结上会发生什么，仍然是一个谜。
表面上看，理解绳结似乎不是什么大事。毕竟，人们总可以穿套穿的鞋。
但是绳结有更广泛的应用。
“当你谈论打结的结构时，如果你能开始理解鞋带，那么你就可以将其应用于其他事物，比如DNA或微结构，它们在动态力的作用下会失效，”该研究的合著者、伯克利研究生克里斯托弗·戴利-戴蒙德在声明中说。“这是理解为什么某些绳结比其他绳结好的第一步，而这之前没有人真正做过。”
同样，绳结也用于鞋带以外的地方——有时会带来致命的后果。你只需要看看帆船的索具，或者剧院屋顶悬挂的重型灯具，就能明白一个糟糕的绳结可能会危及生命。当然，还有手术。
“理解施加在绳结上的力将如何影响绳结，对于缝合线、手术绳结来说非常重要，”奥莱利说。
目前，缝合线会经过大量测试——医生和研究人员打结并反复试验，直到它们断裂——以向外科医生展示哪些线和绳结组合能够随着时间的推移而保持稳定。
“令人惊叹的是，外科医生能够用缝合线在你的体内打结，而且这些结能持续很长时间，”奥莱利说。“但真正理解绳结为何失效，绳结内部的力量是什么，绳结内部的形变是什么，这是一个非常困难的问题。”
