物理学突破揭示运动鞋吱吱作响的奥秘

中国 - 艾赫巴里通讯社

物理学突破揭示运动鞋吱吱作响的奥秘

篮球场上运动鞋独特的吱吱声是即时可识别的声音，是比赛中几乎不可避免的一部分，传统上归因于摩擦物理学。然而，尽管类似的尖锐噪音无处不在——从轮胎的尖叫声到老化的自行车刹车和挡风玻璃刮水器——但令人惊讶的是，很少有深入研究探讨吱吱作响表面的详细动力学。现在，一项开创性的国际研究带来了关键见解，为这种日常现象带来了新的曙光，并揭示了意想不到的科学前沿。

这项近期发表在著名期刊《自然》上的研究挑战了长期以来关于粘滑摩擦的理论，这种摩擦被认为是两个物体定期粘附和相互移动的循环中产生这些声音的过程。虽然人们理解这种现象起作用，但其解释不足以涵盖所有影响因素。这种理解上的空白促使一个国际研究团队，包括哈佛大学和诺丁汉大学的科学家，对吱吱声背后的复杂物理关系进行了详细检查。

该项目始于一个简单而直接的问题：“为什么篮球鞋会吱吱作响？”研究合著者、哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）材料科学家阿德尔·杰鲁利（Adel Djellouli）表示。为了回答这个问题，杰鲁利的团队不仅利用了先进技术，还从15世纪的博学家莱昂纳多·达·芬奇那里汲取了灵感，达·芬奇以设计倾斜装置来辅助他探索摩擦物理学的实验而闻名。基于500多年的摩擦研究，该团队利用内反射成像和每秒百万帧的摄像机来记录橡胶运动鞋鞋底和玻璃表面之间不断变化的接触点。同时，精密的工具精确测量了每次微小吱吱声产生的音频。

结果令人惊讶，与关于粘滑事件的既定理论相矛盾。吱吱声的频率并非随机发生，而是由传播脉冲的重复率决定。这种重复速度反过来又由橡胶运动鞋的硬度和厚度决定。使用平面橡胶块在玻璃上进行的额外实验也揭示了更复杂和不规则的噪声脉冲，类似于更宽泛的沙沙声，从而证明表面几何形状是摩擦产生吱吱声的主要因素。研究合著者、诺丁汉大学材料科学家加布里埃尔·阿尔贝蒂尼（Gabriele Albertini）补充说：“我们惊讶于微小的表面特征能如此强烈地重组摩擦运动。”“这些结果挑战了摩擦可以完全由简化的一维模型捕获的假设。”

杰鲁利、阿尔贝蒂尼及其同事最终对这些关系有了如此深刻的理解，以至于他们可以将橡胶块以不同高度排列，并手动演奏《星球大战》中达斯·维德的主题曲。巧合的是，该团队发现了另一个有趣的摩擦后果，让人联想到遥远星系中的事件：偶尔，滑动脉冲会产生摩擦电放电——本质上是微小的“原力闪电”实例。

除了工程设计出更安静的运动鞋，这些新发现有望显著推动世界上一些最先进的工程材料。“即时调节摩擦行为一直是工程界的长期梦想，”SEAS材料科学家兼合著者卡蒂亚·贝尔托尔迪（Katia Bertoldi）解释说。“这种关于表面几何形状如何控制滑动脉冲的新见解为可调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。”这种能力可以彻底改变需要精确控制表面相互作用的领域，从机器人技术到先进制造。

这项研究的影响也延伸到更宏大的地质现象。这些滑动脉冲中观察到的相同物理现象也反映在地震中，当地质断层产生高速破裂时，有时其传播速度甚至超过声速。物理学家什穆埃尔·鲁宾斯坦（Shmuel Rubinstein）表示：“这些结果连接了传统上不相关的两个领域：软材料的摩擦学和地震动力学。”“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，而且它们的物理性质惊人地相似。”这一发现代表了我们对物理世界理解的重大飞跃，有望在从日常产品到巨大地质事件的各个领域带来广泛的实际应用。

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