美国 - 艾赫巴里通讯社
吱吱声的物理学：运动鞋如何在球场上发出标志性声音
运动鞋发出的标志性吱吱声是任何篮球比赛中一个鲜明的听觉元素，这个声音标志着快速变向、突然停止和激烈的比赛。多年来，这种常见噪音背后的精确科学机制一直难以捉摸。然而，一项开创性的研究现在揭示了其中涉及的物理原理，表明这种声音是源于一种被称为“粘-滑”（stick-slip）的复杂现象，这种现象以极高的频率发生。
由哈佛大学应用物理学家阿德尔·杰卢利（Adel Djellouli）领导的研究人员，利用高速摄像技术观察了鞋底与球场表面之间复杂的相互作用。他们发表在《自然》（Nature）杂志上的研究结果表明，鞋底并非平滑地滑动。相反，它会以每秒数千次的惊人速度，经历一个快速、重复的粘附于表面然后突然释放的循环过程。
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这种“粘-滑”动作涉及到鞋底的小区域在短暂地抓住球场表面后又迅速脱离并向前移动。这些反复的脱离和重新附着产生了微小、快速的脉冲。研究解释道：“鞋子以脉冲形式滑动，因为鞋底的小区域会轻微弯曲并与表面分离。”这些脉冲的持续重复正是产生可听见的吱吱声的原因。研究人员发现，这些脉冲沿着鞋底传播，有点像涟漪效应。在鞋子的语境下，这些脉冲每秒大约重复4800次。
每一次脉冲都会产生一个微小的扰动，扰乱周围的空气压力，从而形成声波。这些脉动的频率直接对应于产生的声声音率，从而决定了其音高。更高的脉动频率会导致更高的吱吱声，这是运动鞋在硬质地面上进行动态运动时常见的特征。
为了精确研究这种相互作用，实验装置采用了玻璃表面作为典型篮球场地板的替代品。这利用了全内反射原理，使得从下方进行清晰的视觉观察成为可能。这种光学技术使研究人员能够区分与玻璃紧密接触的鞋底部分（显示为亮色）和那些暂时脱离表面或弯曲的部分（显示为暗色）。这些视觉数据对于理解“粘-滑”循环的动力学至关重要。
进一步的研究涉及使用硅橡胶块来分离胎面花纹的作用。实验表明，运动鞋胎面上的脊（ridges）和沟槽（grooves）不仅仅是为了提供抓地力，对于产生清晰、独特的吱吱声也至关重要。当一块没有胎面的平整橡胶块在玻璃上移动时，它会以不规则的间隔产生混乱的脉冲，导致一种沉闷、模糊的噪音。相比之下，带有胎面花纹的橡胶块会产生强烈的吱吱声，因为这些脊有助于组织“粘-滑”脉冲，将它们引导成更规则、更具共鸣的模式。
该研究还确定，鞋底材料的物理特性，特别是其厚度和硬度，会影响最终的音高。这一见解为鞋类设计开辟了有趣的可能性。例如，它提出了一种方法，通过工程设计鞋底的特性，将吱吱声的频率转移到人耳听不到的超声波范围内，从而制造出几乎静音的鞋子。这可能包括使鞋底更薄或改变其材料成分，尽管需要解决运动性能方面的实际考虑因素。
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在一项有趣但科学上具有启发性的实验中，研究人员甚至使用了特别设计的橡胶块来演奏《星球大战》中的著名乐曲“帝国进行曲”。这次演示不仅突显了他们对声波频率的控制，还幽默地暗示，如果达斯·维达穿着恰当的吱吱作响的鞋子，他可能会显得更加令人畏惧。这项研究为我们提供了对日常物理现象的迷人见解，这些现象往往被忽视，将一个普遍的声音转化为科学探索和鞋类技术潜在创新的主题。
