Salaisuudella, miksi kengännauhasi näyttävät jatkuvasti irrottavan itsensä, voisi olla lopulta ratkaisu.
Tutkimus on enemmän kuin esimerkki tieteen vastaamisesta näennäisen näennäiseen kysymykseen. Parempi solmumekaniikan tuntemus voisi antaa tarkemman käsityksen siitä, kuinka solmuiset rakenteet epäonnistuvat useiden voimien alla.
Käyttämällä hidasliikennekameraa ja useita kokeita, tutkimus osoittaa, että kengännauha-solmu epäonnistuu muutamassa sekunnissa, jonka aiheuttaa voimien voimakas vuorovaikutus.
"Kun puhut solmittuneista rakenteista, jos voit alkaa ymmärtää kengännauha, voit soveltaa sitä muihin asioihin, kuten DNA: han tai mikrorakenteisiin, jotka eivät toimi dynaamisissa voimissa", sanoo Christopher Daily-Diamond, opintovastaava ja jatko-opiskelija Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä.
"Tämä on ensimmäinen askel kohti ymmärrystä, miksi tietyt solmut ovat muita parempia, joita kukaan ei ole todella tehnyt."
On kaksi tapaa sitoa yhteinen kengännauha solmio solmu, ja yksi on vahvempi kuin toinen, mutta kukaan ei tiedä miksi. Solmun vahva versio perustuu neliösolmuun: kaksi vastakkaista kättelyä pitävää risteystä toistensa päälle. Heikko versio perustuu väärään solmuun; kahdella pitsi-risteyksellä on sama käsi, jolloin solmu kiertyy sen sijaan, että se makaa tasaisesti kiristettäessä.
Nykyinen tutkimus osoittaa, että molemmat versiot epäonnistuvat samalla tavalla, ja se muodostaa perustan tuleville tutkimuksille, miksi kahdella samanlaisella rakenteella on erilaiset rakenteelliset integraatiot.
”Yritämme ymmärtää solmuja mekaniikan näkökulmasta, esimerkiksi siitä, miksi voit ottaa kaksi osaa ja liittää ne tietyllä tavalla, joka voi olla hyvin vahva, mutta toinen tapa liittää ne on hyvin heikko”, Oliver O'Reilly sanoo, konepajaprofessori, jonka laboratorio suoritti tutkimuksen. ”Pystyimme osoittamaan, että heikko solmu epäonnistuu ja vahva solmu epäonnistuu tietyssä ajassa, mutta emme vieläkään ymmärrä, miksi näiden kahden solmun välillä on perustavanlaatuinen mekaaninen ero.”
Uuden tutkimuksen tavoitteena oli kehittää peruskäsitys mekaniikasta siitä, miten kengännauha-solmio solmu ei sidota dynaamisissa voimissa. Aiemmat tutkimukset ovat kuvailleet, kuinka solmittu rakenne ei toimi kestävissä kuormituksissa, mutta vähän tutkimusta on osoittanut, kuinka solmittu rakenne ei toimi muuttuvien voimien ja kuormien dynaamisissa paineissa.
Ensimmäinen askel oli tallentaa kengännauha-solmun purkamisen prosessi hitaasti liikkeessä. Opiskelija ja jatko-opiskelija Christine Gregg, juoksija, nousi pari juoksukenkää ja juoksi juoksumatolla, kun hänen kollegansa kuvaivat kenkänsä.
Tutkijat havaitsivat, että kengännauha solmu on näin: Kun jalka käydään, jalkasi iskee maahan seitsemän kertaa painovoiman voimalla. Solmu ulottuu ja sitten rentoutuu vastauksena tähän voimaan. Kun solmu irtoaa, kääntyvä jalka kohdistuu inertiaalivoimaan nauhojen vapaisiin päihin, mikä johtaa nopeasti solmun epäonnistumiseen niin vähän kuin kaksi askeleen sen jälkeen, kun inertia vaikuttaa nauhoihin.
”Oman solmujen irrottamiseksi vedän solmion vapaaseen päähän ja se jää takaisin. Kengännauha solmu tulee sitomattomaksi samanlaisen liikkeen takia, Gregg sanoo. ”Voimat, jotka aiheuttavat tämän, eivät ole henkilö, joka vetää vapaata päätä, vaan jalan inertiavoimista, jotka kääntyvät edestakaisin, kun solmu irrotetaan kengästä toistuvasti iskemällä maahan.”
Solmun voimien dynaamisen vuorovaikutuksen lisäksi materiaali paljasti myös suuren kiihtyvyyden suuruuden solmun pohjalla. Syvempää kaivamista varten tutkijat käyttivät sitten iskunkestävää heiluria kengännauha-solmun ja testisolmumekaniikan kääntämiseen käyttäen erilaisia erilaisia nauhoja.
”Jotkut nauhat voivat olla parempia kuin toiset solmujen sitomista varten, mutta perustavanlaatuiset mekaniikat, jotka aiheuttavat niiden epäonnistumisen, ovat samat, uskomme”, Gregg sanoo.
Tutkijat testasivat myös teoriaansa, että inertiaalivoimien lisääntyminen vapaisiin päihin aiheuttaisi solmun vioittuneen epäonnistumisen. Ne lisäsivät painot hihnojen vapaisiin päihin kääntyvässä solmussa ja näkivät, että solmua epäonnistui korkeammilla nopeuksilla, kun vapaat päissä olevat inertiaalivoimat lisääntyivät.
"Tarvitset todella sekä impulssivoimaa solmun pohjalla että tarvitset vapaiden päiden ja silmukoiden vetovoimat," Daily-Diamond sanoo. "Et voi näyttää solmun epäonnistumista ilman molempia."
Tietenkin, kun henkilö menee kävelyyn tai juoksuun, niiden kengännauhat eivät aina tule sitomattomiksi. Tiukasti sidotut nauhat voivat vaatia enemmän iskuja ja jalkojen kääntymistä, jotta ne voivat aiheuttaa solmun epäonnistumisen. Tarvitaan lisää tutkimusta, jotta kaikki prosessissa mukana olevat muuttujat voidaan erottaa toisistaan. Mutta tutkimus ei tarjoa vastausta ärsyttävään kysymykseen siitä, miksi pitsit näyttävät hienoilta minuutilta ja sitten tulevat sitomattomiksi seuraavaksi.
”Mielenkiintoinen asia tästä mekanismista on se, että nauhasi voivat olla hienoja todella pitkään, ja vasta, kun saat yhden pienen liikkeen aiheuttaa löysäämistä, joka käynnistää tämän lumivyörytuloksen, joka johtaa solmuhäiriöön”, Gregg sanoo.
{youtube}_-aiynIphTw{/youtube}
Tutkimus ilmestyy Royal Society A: n menettelytavat.
Lähde: UC Berkeley
Liittyvät kirjat
at InnerSelf Market ja Amazon
