Das Rätsel, warum sich Ihre Schnürsenkel ständig zu lösen scheinen, könnte endlich eine Lösung finden.

Die Studie ist mehr als ein Beispiel für die Beantwortung einer scheinbar offensichtlichen Frage durch die Wissenschaft. Ein besseres Verständnis der Knotenmechanik könnte einen genaueren Einblick in das Versagen von Knotenstrukturen unter einer Vielzahl von Kräften geben.

Mit einer Zeitlupenkamera und einer Reihe von Experimenten zeigt die Studie, dass Schnürsenkelknoten innerhalb weniger Sekunden durch eine komplexe Wechselwirkung der Kräfte ausgelöst werden.

"Wenn du über verknotete Strukturen sprichst, wenn du anfangen kannst, den Schnürsenkel zu verstehen, kannst du es auf andere Dinge wie DNA oder Mikrostrukturen anwenden, die unter dynamischen Kräften versagen", sagt Christopher Daily-Diamond, Studienkoautor und Doktorand an der Universität von Kalifornien, Berkeley.

"Dies ist der erste Schritt, um zu verstehen, warum bestimmte Knoten besser sind als andere, was niemand wirklich getan hat."

Es gibt zwei Möglichkeiten, um den gemeinsamen Schnürsenkel Knoten zu binden, und einer ist stärker als der andere, aber niemand weiß warum. Die starke Version des Knotens basiert auf einem quadratischen Knoten: zwei Spitzenkreuzungen entgegengesetzter Händigkeit übereinander. Die schwache Version basiert auf einem falschen Knoten; die beiden Spitzenkreuzungen haben die gleiche Händigkeit, so dass sich der Knoten dreht, anstatt flach zu liegen, wenn er festgezogen wird.

Die aktuelle Studie zeigt, dass beide Versionen auf die gleiche Weise scheitern und legt die Grundlage für zukünftige Untersuchungen darüber, warum die beiden ähnlichen Strukturen unterschiedliche strukturelle Integritäten aufweisen.

"Wir versuchen, Knoten aus einer Mechanikperspektive zu verstehen, wie zum Beispiel, warum man zwei Stränge nehmen und sie auf eine bestimmte Weise verbinden kann, die sehr stark sein kann, aber eine andere Art, sie zu verbinden, ist sehr schwach", sagt Oliver O'Reilly. ein Professor für Maschinenbau, dessen Labor die Forschung leitete. "Wir konnten zeigen, dass der schwache Knoten immer versagen wird und der starke Knoten in einem bestimmten Zeitmaßstab versagen wird, aber wir verstehen immer noch nicht, warum es einen fundamentalen mechanischen Unterschied zwischen diesen beiden Knoten gibt."

Das Ziel der neuen Studie war es, ein grundlegendes Verständnis der Mechanik zu entwickeln, wie sich ein Schnürsenkel-Knoten unter dynamischen Kräften löst. Frühere Studien haben beschrieben, wie verknotete Strukturen unter anhaltenden Belastungen versagen, aber wenig Forschung hat gezeigt, wie verknotete Strukturen unter dynamischen Drücken wechselnder Kräfte und Lasten versagen.

Der erste Schritt bestand darin, den Prozess der Schnürung eines Schnürsenkels in Zeitlupe aufzuzeichnen. Co-Autorin und Doktorandin Christine Gregg, eine Läuferin, schnürte ein Paar Laufschuhe und lief auf einem Laufband, während ihre Kollegen ihre Schuhe filmten.

Die Forscher fanden heraus, dass sich ein Schnürsenkelknoten wie folgt löst: Beim Laufen schlägt der Fuß mit der siebenfachen Schwerkraft auf den Boden. Der Knoten dehnt sich und entspannt sich dann als Antwort auf diese Kraft. Wenn sich der Knoten lockert, übt das schwingende Bein eine Trägheitskraft auf die freien Enden der Schnürsenkel aus, was schnell zu einem Versagen des Knotens in nur zwei Schritten führt, nachdem die Trägheit auf die Schnürsenkel einwirkt.

"Um meine Knoten zu lösen, ziehe ich am freien Ende einer Fliege und es wird gelöst. Der Schnürsenkelknoten löst sich durch die gleiche Art von Bewegung ", sagt Gregg. "Die Kräfte, die dies verursachen, sind nicht von einer Person, die am freien Ende zieht, sondern von den Trägheitskräften des Beines, das hin und her schwingt, während der Knoten vom Schuh gelöst wird, der wiederholt den Boden berührt."

Zusätzlich zu der dynamischen Wechselwirkung der Kräfte auf den Knoten zeigte das Filmmaterial auch eine große Größe der Beschleunigung an der Basis des Knotens. Um tiefer zu graben, benutzten die Forscher ein aufschlagendes Pendel, um einen Schnürsenkelknoten zu schwingen und die Knotenmechanik mit verschiedenen Schnürsenkeln zu testen.

"Einige Schnürsenkel sind vielleicht besser als andere, um Knoten zu binden, aber die grundlegenden Mechanismen, die sie zum Scheitern bringen, sind die gleichen, wie wir glauben", sagt Gregg.

Die Forscher testeten auch ihre Theorie, dass zunehmende Trägheitskräfte an den freien Enden ein Ausreißversagen des Knotens auslösen würden. Sie fügten den freien Enden der Schnürsenkel an einem schwingenden Knoten Gewichte zu und sahen, dass die Knoten mit höheren Raten versagten, wenn die Trägheitskräfte an den freien Enden zunahmen.

"Sie brauchen wirklich die impulsive Kraft an der Basis des Knotens und Sie brauchen die Zugkräfte der freien Enden und der Schleifen", sagt Daily-Diamond. "Sie können nicht scheinen, Knotenausfall ohne beide zu bekommen."

Natürlich, wenn eine Person geht oder läuft, kommen ihre Schnürsenkel nicht immer losgebunden. Eng gebundene Schnürsenkel können mehr Schwung- und Beinbewegungen erfordern, um Knoten zu versagen, als man bei einem Tag Laufen oder Laufen erwarten würde. Es bedarf weiterer Forschung, um alle am Prozess beteiligten Variablen auseinander zu halten. Aber die Studie bietet eine Antwort auf die lästige Frage, warum Ihre Schnürsenkel eine Minute gut scheinen und dann losgebunden werden.

"Das Interessante an diesem Mechanismus ist, dass Ihre Schnürsenkel für eine sehr lange Zeit in Ordnung sind, und erst wenn Sie ein wenig Bewegung zur Lockerung bekommen, beginnt dieser Lawineneffekt, der zu Knotenversagen führt", sagt Gregg.

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Die Studie erscheint in der Proceedings der Royal Society A.

Quelle: UC Berkeley

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