吱吱作响的鞋子之谜揭开：哈佛工程师发现微型闪电和超音速滑移脉冲

[美国] - 艾赫巴里通讯社

吱吱作响的鞋子之谜揭开：哈佛工程师发现微型闪电和超音速滑移脉冲

篮球场上运动鞋普遍存在的吱吱声早已是人们熟悉的声响，然而，这种独特听觉现象背后的精确科学机制在很大程度上仍未被探索。现在，由哈佛大学工程师组成的一个合作团队，与英国诺丁汉大学和法国国家科学研究中心的专家们一道，提出了一种引人注目的新解释，揭示了远超简单表面摩擦的复杂动力学。

他们最近发表在著名期刊《自然》上的开创性研究指出，吱吱声并非仅仅是整个鞋底均匀地粘附和滑动。相反，它是快速、类似皱纹的结构，被称为“开裂滑移脉冲”的结果，这些脉冲在接触区域将橡胶分离和重新连接。这些脉冲以超音速在材料中传播，产生我们耳朵感知为吱吱声的高频振动。有趣的是，一些实验甚至揭示了伴随该过程的微型、类似闪电的火花，这表明电能积累在引发这些滑移事件中可能发挥作用。

“从根本上说，这些发现挑战了长期以来关于软材料摩擦可以完全通过简化的、一维的‘粘滑’模型来捕捉的假设，”该研究的第一作者、哈佛大学博士后研究员阿德尔·杰卢利博士表示。虽然经典的“粘滑”模型能有效解释硬对硬系统中的摩擦，例如门铰链，但橡胶等软材料在硬表面上滑动时表现出显著不同的行为。

为了精确揭示这一过程的物理机制，研究人员采用了高速光学成像并与音频记录同步。这使他们能够精确观察软橡胶沿光滑玻璃快速移动的情况。他们所看到的并非平滑、连续的滑动，而是运动聚集成这些独特的开裂滑移脉冲，以一系列启动和停止的方式在橡胶上扫过。这种局部运动，即只有小区域打开、滑动，然后继续移动，而其他区域保持完全接触，与经典模型中整个接触表面在粘附和滑动之间交替的假设显著不同。

最令人惊讶的发现之一是，团队将摩擦本身产生的微小闪光描述为微型“闪电”火花。在特定测试中，这些放电似乎主动触发了滑移脉冲。尽管它们并未被确定为吱吱声的主要来源，但它们的存在表明了随着橡胶移动，电能如何在系统中积累，并在整体动力学中发挥关键作用。

除了微观力学，该团队还在声音的音高方面取得了重大发现：橡胶的形状，而非其运动速度，被证明是吱吱声频率的主要决定因素。当扁平橡胶块在玻璃上滑动时，滑移脉冲是不规则的，产生了宽泛的“呼呼”声。然而，通过在橡胶上引入薄脊，这些脊有效地限制了脉冲，迫使它们以规律的间隔重复。这种结构引导将声音锁定在特定的频率或音调中，音高与橡胶脊的高度直接相关。

这种机制的可靠性是如此之深，以至于研究人员设计了不同脊高的橡胶块，并且令人瞩目地，用它们手动演奏了《星球大战》中标志性的“帝国进行曲”主题。杰卢利博士回忆起这个有趣的实验：“当真正要演奏《星球大战》主题曲时，我们不得不排练整整三天才能把视频拍好……我认为最有趣的部分是，在连续三天高频吱吱声之后，我们最终完成录音时实验室里的那种解脱感。我们的同事们终于能再次享受片刻的宁静，感到非常高兴！”

这些发现的意义远不止于运动鞋领域。这些实验中观察到的滑移脉冲与地震中的破裂前沿有着惊人的相似之处，地震中地质断层的部分会突然破裂并以极高的速度滑动。“软摩擦通常被认为是缓慢的，但我们表明运动鞋的吱吱声可以像地质断裂的破裂一样快，甚至更快地传播，而且它们的物理特性惊人地相似，”该研究的合著者、耶路撒冷希伯来大学物理学教授兼SEAS客座教授什穆埃尔·鲁宾斯坦博士解释说。

除了揭示地震的基本物理学，这项研究还可以显著帮助工程师设计能够按需在光滑和抓地力强状态之间切换的表面。“即时调整摩擦行为一直是工程师的长期梦想，”哈佛大学应用力学教授卡蒂亚·贝尔托尔迪教授指出。“这项关于表面几何形状如何控制滑移脉冲的新见解，为可调控摩擦超材料铺平了道路，这些材料可以根据需要从低摩擦状态转变为高抓地力状态。”

这项研究不仅为日常生活中常见的声响提供了复杂的解释，而且为从地震学到先进材料科学等不同领域的研究开辟了新途径，强调了对看似微小现象的细致观察如何能够揭示普遍的科学原理。

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