Исследование – больше, чем пример науки, отвечающей на на вид очевидный вопрос. Лучшее понимание механики узла необходимо для более острого понимания, как затруднительные структуры терпят неудачу под множеством сил. Используя камеру замедленной съемки и ряд экспериментов, исследование показывает, что неудача узла шнурка происходит за несколько секунд, вызванная сложным взаимодействием сил.
«Когда Вы говорите о затруднительных структурах, если Вы можете начать понимать шнурок, тогда Вы можете применить его к другим вещам, как ДНК или микроструктуры, которые терпят неудачу под динамическими силами», сказал Кристофер Дэйли-Диэмонд, соавтор исследования и аспирант в Беркли. «Это – первый шаг к пониманию, почему определенные узлы лучше, чем другие, которых никто действительно не сделал».Исследование будет опубликовано 12 апреля в журнале Proceedings Королевского общества A.
Есть два способа завязать общий узел галстука-бабочки шнурка, и каждый более силен, чем другой, но никто не знает почему. Сильная версия узла основана на квадратном узле: два кружевных перекрестка противоположной рукости друг на друге. Слабая версия основана на ложном узле; у двух кружевных перекрестков есть та же самая рукость, заставляя узел крутить вместо того, чтобы лежать плашмя, когда сжато. Текущее исследование показывает, что обе версии терпят неудачу таким же образом, и закладывает основу для будущего расследования того, почему у двух подобных структур есть различные структурные достоинства.
«Мы пытаемся понять узлы с точки зрения механики, такой как, почему Вы можете взять два берега и соединить их определенным способом, который может быть очень сильным, но другой способ соединить их очень слаб», сказал Оливер О’Райли, преподаватель Беркли машиностроения, лаборатория которого провела исследование. «Мы смогли показать, что слабый узел будет всегда терпеть неудачу, и сильный узел потерпит неудачу в определенных временных рамках, но мы все еще не понимаем, почему есть фундаментальное механическое различие между теми двумя узлами».Цель нового исследования состояла в том, чтобы развивать понимание основания механики того, как узел галстука-бабочки шнурка прибывает развязанный под динамическими силами.
Предыдущие исследования описали, как затруднительные структуры терпят неудачу под длительными грузами, но мало исследования показало, как затруднительные структуры терпят неудачу под динамическими давлениями изменения сил и грузов.Первый шаг должен был сделать запись процесса узла шнурка, развязывающего в замедленном движении.
Соавтор исследования и аспирант Кристин Грегг, бегун, шнуровали пару кроссовок и работали на беговой дорожке, в то время как ее коллеги сняли ее обувь.Исследователи нашли, что узел шнурка развязывает как это: бегая, Ваша нога ударяет землю в семь раз силе тяжести. Отрезки узла и затем расслабляются в ответ на ту силу.
Поскольку узел ослабляется, качающаяся нога применяет инерционную силу на свободные концы кружев, которая быстро приводит к неудаче узла только двумя шагами после действий инерции на кружевах.«Чтобы развязать мои узлы, я надеваю свободный конец галстука-бабочки, и он прибывает отмененный. Узел шнурка прибывает развязанный из-за того же самого вида движения», сказал Грегг, Товарищ канцлера Беркли. «Силы, которые вызывают это, не от человека, надевающего свободный конец, а от инерционных сил ноги, качающейся назад и вперед, в то время как узел ослаблен от обуви, неоднократно ударяющей землю».
В дополнение к динамическому взаимодействию сил на узле видеозапись также показала большую величину ускорения в основе узла. Чтобы вырыть глубже, исследователи тогда использовали маятник влияния, чтобы качать узел шнурка и испытательную механику узла, используя множество различных кружев.«Некоторые кружева могли бы быть лучше, чем другие для завязывания узлов, но фундаментальная механика, заставляющая их потерпеть неудачу, является тем же самым, мы верим», сказал Грегг.Исследователи также проверили свою теорию, что увеличение инерционных сил на свободных концах вызовет безудержную неудачу узла.
Они добавили веса к свободным концам кружев на качающемся узле и видели, что узлы, подведенные по более высоким показателям как инерционные силы на свободных концах, увеличились.«Вам действительно нужна и импульсивная сила в основе узла, и Вам нужны силы натяжения свободных концов и петель», сказал Дэйли-Диэмонд. «Вы, может казаться, не получаете неудачу узла без обоих».Конечно, когда человек идет идти или бежать, их шнурки не всегда прибывают развязанные. Плотно связанные кружева могут потребовать, чтобы больше циклов воздействия и ноги, качающейся, вызвало неудачу узла, чем можно было бы испытать в ценности дня ходьбы или управления.
Больше исследования необходимо, чтобы дразнить обособленно все переменные, вовлеченные в процесс. Но исследование делает предлагает ответ на раздражающий вопрос того, почему Ваши кружева кажутся прекрасными одна минута и затем прибывают, развязал следующее.
«Интересная вещь об этом механизме состоит в том, что Ваши кружева могут быть прекрасными в течение действительно долгого времени, и это – только когда Вы получаете тот немного движения вызвать ослабление, начинают этот эффект лавины ведущий, чтобы связать неудачу узлом», сказал Грегг.