Почему шнурки развязываются сами, хотя вы завязали их крепко. Ответ учёных

Шнурки развязываются не из-за плохого узла и не потому, что вы плохо затянули бант. Инженеры-механики из Калифорнийского университета в Беркли показали: узел ослабляет удар стопы о землю, а окончательно распускают его свободные концы, которые дёргает инерция качающейся ноги. Это не свежая новость: работа вышла в апреле 2017 года в журнале Proceedings of the Royal Society A. Но она до сих пор остаётся редким случаем, когда учёные всерьёз взялись за вопрос, который каждый задаёт себе, наклоняясь перезавязать кроссовок, и до которого раньше никто не добирался. Авторы сами называли исследование первым шагом: оно объясняет, как узел разваливается, но не отвечает, почему одни узлы держатся лучше других. А, если вам интересно, какие технологии предсказал Незнайка, почитайте нашу статью — там много интересного.

Бегун на беговой дорожке снимается высокоскоростной камерой

Удар стопы расшатывает узел, а свободные концы его распускают

Первым делом команда из лаборатории профессора Оливера О’Райли записала сам процесс. Соавтор работы, аспирантка и бегунья Кристин Грегг, зашнуровала беговые кроссовки и встала на дорожку, а коллеги снимали её ноги на замедленную камеру. Так удалось увидеть то, что глазом заметить невозможно: узел не развязывается постепенно, он держится, а потом сдаётся за считаные секунды. Кстати, сдаваться также может и одежда, которая всё равно плохо пахнет, даже если её постирать.

Механика оказалась двухступенчатой. При беге стопа бьёт по земле с силой, которая примерно в семь раз превышает силу тяжести. От такого удара узел растягивается и снова сжимается, и с каждым циклом трение внутри него чуть ослабевает. Пока узел плотный, это ничем не грозит. Но стоит ему немного расслабиться, в дело вступает вторая сила: нога качается вперёд-назад, и свободные концы шнурков по инерции отлетают в сторону, как маятники. Каждый такой замах тянет кончик наружу, и узел раскручивается. По наблюдениям авторов, от момента, когда инерция начинает работать на концы, до полного развязывания может пройти всего два шага.

Еще больше познавательных материалов вы найдете в нашем Telegram-канале. Обязательно подпишитесь!

Кристин Грегг сравнила это с обычным способом развязать бант: потянул за свободный конец, и всё распустилось. Разница в том, что при ходьбе за кончик тянет не рука, а инерция ноги, и тянет она узел, который уже расшатан ударами о землю. Уж не для этого ли в СССР в обувь клали газеты?

Один рывок руками не повторяет нагрузку при ходьбе

Можно возразить: если всё дело в тяге за свободный конец, почему туго завязанный узел не развязывается, когда его дёргают пальцами? Ответ исследователей в том, что для отказа узла нужны обе составляющие сразу. Соавтор Кристофер Дэйли-Даймонд формулировал это прямо: нужен и ударный импульс в основании узла, и тяга за свободные концы и петли, без одного из компонентов узел не разваливается. Кстати, подписывайтесь на канал Кобура от Теслы — там мы собираем классные штуки со всего интернета, которые реально можно купить.

Необычная обувь со шнурками на ноге

Рука, дёргающая за кончик, воспроизводит только вторую часть. Она тянет узел, который никто перед этим не расшатывал ударами, и плотно затянутый бант такую тягу выдерживает. При ходьбе всё иначе: сотни ударов подряд понемногу ослабляют трение внутри узла, а между ударами нога качается и раз за разом подёргивает концы. Это не один рывок, а долгая серия из «ослабить, потянуть, ослабить, потянуть». Именно поэтому туго завязанные шнурки могут потребовать больше циклов, чем набегает за день ходьбы или пробежки, и благополучно доживают до вечера.

Что вы думаете по этому поводу? Обсудим в нашем Telegram-чате!

Запись показала ещё одну деталь: в основании узла возникают большие ускорения. Это подсказало, как проверить гипотезу без бегуна.

Маятник с грузами на концах подтвердил роль инерции

Чтобы отделить эффект ударов от эффекта качания, инженеры собрали установку с ударным маятником. Узел из шнурка раскачивался и бился о препятствие, имитируя шаги, а исследователи меняли шнурки и следили, когда узел сдаётся. Так можно было прогонять сотни циклов и сравнивать разные материалы.

Маятник с завязанным бантиком шнурка и грузиками на концах

Ключевой тест касался инерции свободных концов. Логика была простой: если развязывание запускает именно тяга кончиков, то чем сильнее эта тяга, тем быстрее узел должен распускаться. Исследователи подвесили к свободным концам небольшие грузы и увидели, что с ростом инерционных сил узлы отказывали заметно чаще. Гипотеза подтвердилась.

По словам Грегг, какие-то шнурки, возможно, действительно держат узел лучше других, но фундаментальный механизм отказа, по мнению команды, у всех один и тот же. Материал меняет скорость процесса, а не его суть.

Слабый и сильный узлы отличаются одним поворотом

Есть два способа завязать привычный бант, и один из них заметно надёжнее другого. Про это давно знают моряки и внимательные родители, но объяснения у явления нет до сих пор. Разница возникает на втором этапе завязывания: когда вы накладываете петлю на первое перекрестие, её можно повернуть в ту же сторону, что и первое, или в противоположную.

Если направления противоположные, получается основа прямого узла: два перекрестия ложатся ровно, и бант при затягивании лежит плоско. Если направления совпадают, выходит ложный узел, тот самый, который при затягивании перекручивается и встаёт бантом поперёк ботинка. Первый вариант в исследовании назван сильным, второй слабым. Проверить, какой у вас, легко: посмотрите, лежит бант вдоль стопы или уходит вбок.

Важная оговорка от авторов: оба узла разваливаются одинаково, по той же схеме «удар плюс инерция». Профессор О’Райли отмечал, что слабый узел в их экспериментах отказывал всегда, а сильный тоже отказывал, но на другом масштабе времени. Почему две почти одинаковые конструкции так по-разному сопротивляются нагрузке, механики объяснить пока не могут. Так что надёжный способ завязать шнурки существует, но «никогда не развяжется» это не значит: речь лишь о том, что сильный узел продержится дольше.

Почему узел держится часами, а потом сдаётся за секунды

Этапы развязывания шнурков при ходьбе

Самое контринтуитивное в этом механизме: на протяжении почти всего пути шнурки выглядят совершенно целыми. Ослабление копится незаметно, и узел стоит до тех пор, пока одно небольшое движение не сдвинет его через порог. Грегг сравнила финал с лавиной: чуть-чуть расшатали, и дальше процесс сам себя разгоняет, потому что каждый рывок за кончик ослабляет узел ещё сильнее, а более слабый узел легче поддаётся следующему рывку.

Читайте также: 7 странных мест, которые люди нашли в Google Earth

Отсюда и бытовое ощущение, что шнурки развязываются «вдруг» и «ни с того ни с сего». Никакой мистики: вы просто не видели долгую подготовительную стадию. И обратная сторона того же механизма: если шнурки затянуты туго, до порога можно так и не добраться за день, потому что ударов и качаний потребуется больше, чем вы успеете сделать. А, если вы ищете что-то классное, в канале Сундук Али-Бабы мы выкладываем лучшие товары с АлиЭкспресс, ВБ, Озона и Я.Маркета.

Авторы честно признают, что переменных в процессе много и разбирать их придётся дальше. Как влияет длина концов, толщина петель, форма ботинка, темп шага, исследование не измеряло. Зато оно даёт то, чего раньше не было: воспроизводимую модель того, как узел разрушается под меняющейся нагрузкой. Прежние работы рассматривали в основном узлы под постоянной тягой, а динамика ударов и рывков оставалась почти неизученной.

Дэйли-Даймонд объяснял интерес команды так: если понять шнурок, можно перенести подход на другие узловые структуры, которые разрушаются под динамическими силами, от молекул ДНК до микроскопических конструкций. Шнурок в этом смысле просто удобная модель, которую можно снять на камеру и покачать на маятнике. А заодно исследование дало практический вывод для тех, кто устал наклоняться на бегу: посмотрите, как лежит ваш бант, и если он перекручен, попробуйте на втором шаге завязывания повернуть петлю в другую сторону.