당신의 구두 끈이 항상 풀려나는 이유

신발 끈이 끊임없이 풀리는 것처럼 보이는 이유 뒤에 숨겨진 미스터리가 마침내 해결책을 가질 수 있습니다.

이 연구는 명백해 보이는 질문에 대답하는 과학의 예 그 이상입니다. 매듭 역학에 대한 더 나은 이해는 매듭이 있는 구조가 다양한 힘에서 어떻게 실패하는지에 대한 더 날카로운 통찰력을 제공할 수 있습니다.

슬로우 모션 카메라와 일련의 실험을 사용하여 이 연구는 신발끈 매듭 실패가 복잡한 힘의 상호 작용에 의해 몇 초 만에 발생한다는 것을 보여줍니다.

연구 공동 저자이자 대학원생인 크리스토퍼 데일리-다이아몬드(Christopher Daily-Diamond)는 "매듭 구조에 대해 이야기할 때 신발 끈을 이해하기 시작할 수 있다면 DNA나 미세 구조와 같은 다른 것에 적용할 수 있습니다. 캘리포니아 대학교 버클리에서.

"이것은 아무도 실제로 수행하지 않은 특정 매듭이 다른 매듭보다 나은 이유를 이해하기 위한 첫 번째 단계입니다."


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일반적인 신발 끈 나비 넥타이 매듭을 묶는 방법에는 두 가지가 있으며 하나는 다른 하나보다 강하지만 아무도 이유를 모릅니다. 강한 형태의 매듭은 정사각형 매듭을 기반으로 합니다. 두 개의 레이스 교차점이 서로 반대 방향입니다. 약한 버전은 거짓 매듭을 기반으로 합니다. 두 개의 레이스 교차점은 같은 손잡이를 가지므로 매듭을 조일 때 평평하게 놓이지 않고 비틀어집니다.

현재 연구는 두 버전이 동일한 방식으로 실패하고 두 개의 유사한 구조가 다른 구조적 무결성을 갖는 이유에 대한 향후 조사를 위한 토대를 마련합니다.

올리버 오라일리(Oliver O'Reilly)는 "우리는 매듭을 역학적인 관점에서 이해하려고 노력하고 있습니다. 예를 들어 두 개의 가닥을 가져와 매우 강할 수 있는 특정 방식으로 연결할 수 있지만 연결하는 또 다른 방법은 매우 약합니다."라고 말했습니다. 연구실에서 연구를 수행한 기계공학과 교수. "우리는 약한 매듭이 항상 실패하고 강한 매듭이 특정 시간 척도에서 실패한다는 것을 보여줄 수 있었지만 여전히 이 두 매듭 사이에 근본적인 기계적 차이가 있는 이유를 이해하지 못했습니다."

새로운 연구의 목표는 신발끈 나비 넥타이 매듭이 역동적인 힘에 의해 어떻게 풀리는지에 대한 역학에 대한 기본적인 이해를 개발하는 것이었습니다. 이전 연구에서는 매듭이 있는 구조가 지속적인 하중에서 어떻게 실패하는지 설명했지만 매듭이 있는 구조가 변화하는 힘과 하중의 동적 압력에서 어떻게 실패하는지 보여주는 연구는 거의 없습니다.

첫 번째 단계는 신발끈 매듭이 풀리는 과정을 슬로우 모션으로 기록하는 것이었습니다. 연구 공동 저자이자 대학원생인 크리스틴 그레그(Christine Gregg)는 러닝화 한 켤레를 묶고 러닝머신에서 뛰는 동안 동료들이 그녀의 신발을 촬영했습니다.

연구자들은 신발끈 매듭이 이렇게 풀리는 것을 발견했습니다. 달릴 때 발은 중력의 XNUMX배의 힘으로 땅에 닿습니다. 매듭은 늘어난 다음 그 힘에 반응하여 이완됩니다. 매듭이 풀리면 흔들리는 다리가 신발끈의 자유단에 관성력을 가하고 관성이 신발끈에 작용한 후 단 두 걸음 만에 매듭이 끊어지게 됩니다.

“매듭을 풀기 위해 나비 넥타이의 끝을 잡아당기면 풀립니다. 같은 종류의 동작으로 인해 신발끈 매듭이 풀립니다.”라고 Gregg는 말합니다. "이를 일으키는 힘은 자유단을 당기는 사람이 아니라 신발에서 매듭이 풀리는 동안 앞뒤로 흔들리는 다리의 관성력이 반복적으로 땅에 부딪히는 것입니다."

매듭에 가해지는 힘의 역동적인 상호 작용 외에도 영상은 매듭 바닥에서 큰 가속도를 나타냅니다. 더 깊이 파고들기 위해 연구원들은 충격 진자를 사용하여 신발끈 매듭을 휘두르고 다양한 끈을 사용하여 매듭 역학을 테스트했습니다.

Gregg는 “어떤 끈은 매듭을 묶는 데 다른 끈보다 더 나을 수 있지만 실패하는 근본적인 메커니즘은 동일하다고 믿습니다.”라고 Gregg는 말합니다.

연구자들은 자유단에서 증가하는 관성력이 매듭의 폭주 실패를 유발할 것이라는 그들의 이론을 테스트했습니다. 그들은 흔들리는 매듭에 있는 끈의 자유단에 추를 추가했고 자유단의 관성력이 증가함에 따라 매듭이 더 높은 비율로 실패하는 것을 확인했습니다.

Daily-Diamond는 "매듭 바닥에 충격력이 필요하고 자유단과 루프의 당기는 힘이 모두 필요합니다"라고 말합니다. "둘 다 없이는 매듭 실패를 얻을 수 없습니다."

물론 사람이 걷거나 뛸 때 신발 끈이 항상 풀리는 것은 아닙니다. 단단히 묶인 끈은 하루 동안 걷거나 달리는 것보다 더 많은 충격 주기와 다리 흔들림을 요구하여 매듭 실패를 유발할 수 있습니다. 프로세스와 관련된 모든 변수를 분리하려면 더 많은 연구가 필요합니다. 그러나 이 연구는 끈이 XNUMX분 동안 잘 풀렸다가 다음 순간에 풀리는 이유에 대한 성가신 질문에 대한 답을 제공합니다.

"이 메커니즘의 흥미로운 점은 끈이 정말 오랫동안 괜찮을 수 있다는 것입니다. 그리고 매듭 실패로 이어지는 눈사태 효과를 시작하는 풀림을 유발하는 약간의 움직임을 얻을 때까지는 그렇지 않습니다."라고 Gregg는 말합니다.

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연구는 왕립 학회 A의 절차.

출처: UC 버클리

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