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这个小小的动作,是你生活中最量子力学的时刻

环球科学  · 公众号  · 科学  · 2025-04-26 22:00

主要观点总结

本文主要介绍了《环球科学》杂志播客节目关于鞋带系法的研究探讨。文章介绍了鞋带的正确系法,包括弱结与强结的区别,以及科学家对鞋带散开的研究。同时,文章还提到了不同的鞋带系法和穿鞋带的方法,强调了大部分人对绳结强度的不确定性和人脑感知周围世界的复杂性。

关键观点总结

关键观点1: 鞋带系法的研究探讨

文章介绍了弱结和强结的区别,以及科学家如何通过研究散开的鞋带了解其背后的原理。科学家发现鞋带散开的本质是拉穿,即鞋带末端(自由端)的惯性导致鞋带散开。

关键观点2: 不同的鞋带系法和穿鞋带的方法

文章提到了多种鞋带系法和穿鞋带的方法,包括双渔人结、伊恩结等。伊恩的鞋带网站提供了许多穿鞋带的方法,并指出一只6对鞋带孔的鞋实际上只有43,200种穿法。

关键观点3: 大部分人对绳结强度的不确定性和人脑感知周围世界的复杂性

文章指出大部分人在判断绳结强度方面存在困难,即使在绳结散开之前,它似乎总是处在牢固和不牢固之间的量子叠加态。这种现象揭示了人脑感知周围世界的方式和我们对绳结物理直觉的缺失。


正文

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但如果我们对“弱结”的系法稍作改变,在打完第一层结后,按照与第一层相反的方向系第二层,就能系出一个“强结”。与“弱结”不同, 受外力而拉紧的“强结”不会旋转方向,而会保持与鞋子的长轴垂直


“强结”(图片来源:TED)


受特里的启发,一群科学家开始研究散开的鞋带。 他们在高速摄像机下仔细观察“弱结”的散开过程,发现原来鞋带散开不是缓慢、均匀的,而是一个突然、灾难性的过程。 在开始迈出的很多步内,“弱结”看上去都没什么变化,直到某一步才微微散开。 但很快,在那之后的一两步内,鞋带就彻底散开了。


相反,“强结”不会这样。即便是在鞋带两端负重的模拟测试条件下,“强结”也不曾完全散开,而 “弱结”的散开率却达到了100%


模拟测试(图片来源:原论文)



追踪散开的鞋带


我们每迈出一步,都会经历两个阶段—— 摆动相 (swing phase)和 支撑相 (stance phase)。例如,我们想要迈出左脚时,首先会让左脚离地从后向前运动,依次经历加速抬起和减速下落,这就是摆动相;随后,左脚的脚后跟着地,重心由左脚跟逐渐转移至整个左脚,最后左脚再向前蹬,驱动右脚向前,这便是支撑相。当左脚处于支撑相时,右脚便处于摆动相。


摆动相和支撑相(图片来源:原论文)


科学家发现,无论是一直让脚晃来晃去(只有摆动相),还是不停地跺脚(只有支撑相),“弱结”都不会轻易散开。因此, 只有摆动相和支撑相间相互作用,才能产生让鞋带散开的效果


为了更好地了解鞋带的遭遇,研究人员在不同类型鞋(普通跑鞋、登山鞋、运动鞋、赤足跑鞋)的鞋带结上安装了无线加速度计。他们发现,无论是哪种类型的鞋,鞋带结处的加速度都惊人地相似。这种加速度是脉冲式的,而且很强, 冲击强度能达到6~8倍重力加速度


鞋带经历的加速度(图片来源:原论文)


在一次次的模拟测试中,研究人员观察到,鞋带散开的本质是“拉穿”。也就是说, 鞋带末端(自由端)的惯性才是导致鞋带散开的“罪魁祸首”


当我们的腿向前摆动,然后稍微向后摆动以撞击地面时,由于惯性,蝴蝶结的两个环和两个自由端都会相对于结中心向前运动。这种相对运动会导致结中心稍稍打开、空间变大。接着,鞋跟撞击地面的一刹那,这种多方位的强大冲击力会传递到结,导致结中心变形,并在一次次冲击下逐渐松动。







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