En ny studie av maskiningenjörer vid UC Berkeley visar äntligen varför dina skosnören kan fortsätta att lossna. Det är en fråga som alla ställer, ofta efter att ha stannat för att knyta om sina skor, ändå en som ingen hade undersökt förrän nu. Svaret, studien tyder på, är att ett dubbelt slag av stampande och piskande krafter fungerar som en osynlig hand, lossa knuten och sedan dra i de fria ändarna av dina snören tills det hela lossnar.

Studien är mer än ett exempel på att vetenskapen svarar på en till synes uppenbar fråga. En bättre förståelse av knutmekanik behövs för en skarpare insikt i hur knutna strukturer misslyckas under en mängd olika krafter. Med hjälp av en slowmotionkamera och en serie experiment, studien visar att skosnörsknutfel inträffar inom några sekunder, utlöst av ett komplext samspel av krafter.

"När du pratar om knutna strukturer, om du kan börja förstå skosnöret, då kan du tillämpa det på andra saker, som DNA eller mikrostrukturer, som misslyckas under dynamiska krafter, " sa Christopher Daily-Diamond, studiemedförfattare och doktorand vid Berkeley. "Detta är det första steget mot att förstå varför vissa knutar är bättre än andra, vilket ingen egentligen har gjort."

Studien kommer att publiceras den 12 april i tidskriften Proceedings of the Royal Society A .

Det finns två sätt att knyta den vanliga skosnören fluga knuten, och den ena är starkare än den andra, men ingen vet varför. Den starka versionen av knuten är baserad på en fyrkantig knut:två spetskorsningar av motsatt handing ovanpå varandra. Den svaga versionen är baserad på en falsk knut; de två spetskorsningarna har samma handenhet, får knuten att vrida sig istället för att ligga platt när den dras åt. Den aktuella studien visar att båda versionerna misslyckas på samma sätt, och lägger grunden för framtida utredning om varför de två liknande strukturerna har olika strukturella integriteter.

"Vi försöker förstå knutar ur ett mekanikperspektiv, till exempel varför du kan ta två trådar och koppla ihop dem på ett visst sätt som kan vara väldigt starkt, men ett annat sätt att koppla ihop dem är mycket svagt, sa Oliver O'Reilly, en Berkeley professor i maskinteknik, vars labb utförde forskningen. "Vi kunde visa att den svaga knuten alltid kommer att misslyckas och den starka knuten kommer att misslyckas vid en viss tidsskala, men vi förstår fortfarande inte varför det finns en grundläggande mekanisk skillnad mellan dessa två knutar."

Målet med den nya studien var att utveckla en baslinjeförståelse av mekaniken för hur en skosnörsknut lossnar under dynamiska krafter. Tidigare studier har beskrivit hur knutna strukturer misslyckas under ihållande belastningar, men lite forskning har visat hur knutna strukturer misslyckas under det dynamiska trycket från förändrade krafter och belastningar.

Det första steget var att spela in processen med att en skosnörsknut lossas i slow motion. Studiemedförfattare och doktorand Christine Gregg, en löpare, snörade på sig ett par löparskor och sprang på ett löpband medan hennes kollegor filmade hennes skor.

Forskarna fann att en skosnörsknut lossnar så här:När du springer, din fot träffar marken med sju gånger tyngdkraften. Knuten sträcker sig och slappnar sedan av som svar på den kraften. När knuten lossnar, det svängande benet anbringar en tröghetskraft på de fria ändarna av snören, vilket snabbt leder till att knuten misslyckas på så få som två steg efter att trögheten verkar på snören.

"För att lösa upp mina knutar, Jag drar i den fria änden av en fluga och den lossnar. Skosnörsknuten lossnar på grund av samma sorts rörelse, sa Gregg, en Berkeley Chancellor's Fellow. "Krafterna som orsakar detta kommer inte från en person som drar i den fria änden, men från benets tröghetskrafter som svänger fram och tillbaka medan knuten lossas från att skon upprepade gånger slår mot marken."

Förutom den dynamiska växelverkan mellan krafter på knuten, filmen avslöjade också en stor acceleration vid basen av knuten. För att gräva djupare, forskarna använde sedan en stötande pendel för att svänga en skosnörsknut och testa knutmekaniken med en mängd olika snören.

"Vissa snören kan vara bättre än andra för att knyta knutar, men den grundläggande mekaniken som får dem att misslyckas är densamma, vi tror, " sa Gregg.

Forskarna testade också sin teori om att ökande tröghetskrafter på de fria ändarna skulle utlösa skenande fel i knuten. De lade till vikter till de fria ändarna av snören på en svängande knut och såg att knutarna misslyckades i högre takt när tröghetskrafterna på de fria ändarna ökade.

"Du behöver verkligen både impulskraften vid basen av knuten och du behöver dragkrafterna från de fria ändarna och öglorna, "Saide Daily-Diamond. "Du kan inte tyckas få knutfel utan båda."

Självklart, när en person går eller springer, deras skosnören är inte alltid obundna. Tätt knutna snören kan kräva fler cykler av stötar och bensvängningar för att orsaka knutfel än vad man kan uppleva under en dags promenad eller löpning. Mer forskning behövs för att riva isär alla variabler som är involverade i processen. Men studien ger ett svar på den irriterande frågan om varför dina skosnören ser bra ut ena minuten och sedan lossnar nästa.

"Det intressanta med den här mekanismen är att dina snören kan vara bra under en riktigt lång tid, och det är inte förrän du får en liten rörelse för att orsaka lossning som startar denna lavineffekt som leder till knutfel, " sa Gregg.