Физика скрипа: Почему кроссовки издают характерный звук на баскетбольной площадке

США - Информационное агентство Эхбари

Физика скрипа: Как кроссовки издают свой характерный звук на площадке

Неотъемлемый скрип кроссовок является определяющим звуковым элементом любого баскетбольного матча – звук, сигнализирующий о резких сменах направления, внезапных остановках и напряженной игре. На протяжении многих лет точный научный механизм этого распространенного шума оставался неясным. Однако недавнее новаторское исследование пролило свет на физику этого явления, показав, что звук является результатом сложного феномена, известного как 'упруго-скользящее' движение (stick-slip motion), происходящего на невероятно высоких частотах.

Исследователи под руководством профессора прикладной физики Гарвардского университета Аделя Джелули использовали высокоскоростную видеосъемку для наблюдения за сложными взаимодействиями между подошвой кроссовки и поверхностью площадки. Их выводы, опубликованные в журнале Nature, демонстрируют, что подошва не просто скользит плавно. Вместо этого она совершает быстрый, повторяющийся цикл прилипания к поверхности с последующим резким отрывом – процесс, который происходит тысячи раз каждую секунду.

Это 'упруго-скользящее' действие включает в себя то, что небольшие участки подошвы на мгновение сцепляются с покрытием площадки, прежде чем оторваться и двинуться вперед. Эти повторяющиеся отрывы и повторные сцепления создают крошечные, быстрые импульсы. "Кроссовка скользит импульсами, поскольку небольшие участки подошвы слегка изгибаются и отрываются от поверхности", – говорится в исследовании. Постоянное повторение этих импульсов и генерирует слышимый скрип. Исследователи обнаружили, что эти импульсы распространяются вдоль подошвы, подобно волновому эффекту. В случае с подошвой кроссовки эти импульсы повторяются примерно 4800 раз в секунду.

Каждый импульс генерирует крошечный толчок, который нарушает давление окружающего воздуха, создавая звуковые волны. Частота этих пульсаций напрямую соответствует частоте производимого звука, определяя его высоту (тон). Более высокая частота пульсаций приводит к более высокому тону скрипа – распространенной характеристике спортивной обуви во время динамичных движений на твердых покрытиях.

Для тщательного изучения этого взаимодействия в экспериментальной установке использовалась стеклянная поверхность в качестве аналога типичного покрытия баскетбольной площадки. Это позволило обеспечить четкую визуализацию снизу, используя принцип полного внутреннего отражения. Эта оптическая техника позволила исследователям различать участки подошвы, плотно контактирующие со стеклом (выглядят ярко), и те, которые кратковременно отрывались или изгибались от поверхности (выглядят темными). Эти визуальные данные были решающими для понимания динамики цикла 'упруго-скользящего' движения.

Дальнейшие исследования включали использование блоков из силиконового каучука для выделения роли рисунка протектора. Эксперименты показали, что выступы и канавки на протекторе кроссовки служат не только для сцепления, но и необходимы для создания четкого, отчетливого скрипа. Когда плоский резиновый блок без протектора перемещался по стеклу, он производил хаотичные импульсы с неравномерными интервалами, что приводило к приглушенному, нечеткому шуму. В отличие от этого, резиновые блоки с рисунком протектора генерировали сильный скрип, поскольку выступы помогали организовывать 'упруго-скользящие' импульсы, направляя их в более регулярный и резонансный узор.

Исследование также установило, что физические свойства материала подошвы, в частности ее толщина и жесткость, влияют на результирующую высоту звука. Это понимание открывает интересные возможности для дизайна обуви. Например, оно предполагает метод создания практически бесшумной обуви путем настройки свойств подошвы таким образом, чтобы частота скрипа смещалась в ультразвуковой диапазон, неслышимый для человеческого уха. Это может включать в себя уменьшение толщины подошвы или изменение ее материального состава, хотя практические соображения для спортивных характеристик должны быть учтены.

В игривом, но научно иллюстративном эксперименте исследователи даже использовали специально разработанные резиновые блоки для исполнения "Имперского марша" из "Звездных войн". Эта демонстрация не только подчеркнула их контроль над звуковыми частотами, но и юмористически предположила, что более устрашающий Дарт Вейдер мог бы быть достигнут с помощью правильного скрипа кроссовок. Исследование предоставляет увлекательный взгляд на повседневную физику, которая часто остается незамеченной, превращая обычный звук в предмет научных исследований и потенциальных инноваций в технологии производства обуви.

Информационное агентство Эхбари