科學人觀點

鞋帶歷險記

生活中的小困境,往往隱藏著自然界的玄機。解謎要科研,應用靠科技。結果充滿驚喜,又讓人讚不絕口!

撰文/曾志朗

科學人觀點

鞋帶歷險記

生活中的小困境,往往隱藏著自然界的玄機。解謎要科研,應用靠科技。結果充滿驚喜,又讓人讚不絕口!

撰文/曾志朗


無庸置疑,從去年11月開始,羽球同好者最是幸福,隨著當今世界球后戴資穎征戰國際各大公開賽和超級賽,情緒一直處於高亢之中。我也是其中之一。凡是她所參加的比賽,必認真追蹤賽程,相關報導更是必讀必看必聽!她過關斬將的過程絕不疏漏,到了總決賽,既期待又緊張,準時守在電腦前,目不轉睛盯著網路即時轉播,隨著她的拉長球、放小球,殺球、救球,失分、得分,心情像坐雲霄飛車一般起起伏伏,她刁鑽的假動作讓對手傻眼、轉播員讚歎,但我最欣賞的還是她的反手拍,百看不厭!終於贏了,興奮加驕傲,那一整天都會快樂無比。


4月底,在武漢開打的亞錦賽,所有人的目光焦點都在台灣第一面羽球亞錦賽金牌能不能靠著小戴手到擒來。偏偏總決賽前一刻,我正要從歐洲搭機返台,登機之前特別叮嚀球友連同我的份好好替小戴加油!隔絕在高空,一路坐立不安,飛機著地時,打開手機,報喜訊息如雪片飛來,長途飛行的疲憊一掃而空!


套句現代的時髦用語,我是小戴的「大條粉絲」啦!她在半年之間,連拿六座冠軍,這個「世界球后」確實是貨真價實,尤其她是我高雄的鄉親,又是我高雄中學的小小學妹,更是令我感到親切!粉絲團裡的團員,都被小戴的氣勢激盪起場上見的鬥志,呼朋喚球友,連我這個失蹤已久的「老」將,都拾起球拍回到球場,和年輕小夥子配對成雙,廝殺起來了。


我雖然很久沒碰球拍,但下場拉球一段時間後,越來越得心應手,以為寶刀未老,就前仆後仰,吊小球,再拉兩個角落的長球,正反拍都來,然後想都沒想,在後場跳殺出手!哪知新球鞋的左腳鞋帶鬆開了,腳著地時,右腳踩到彈開的鞋帶,左腳失去平衡。所幸我平日動作還算俐落也訓練有素,摔倒的瞬間,先把球拍丟出去,身體蜷縮,雙手護著頭滾了滾,除了手肘碰傷瘀青之外,並沒有受傷。我坐在地上,看著鬆開的鞋帶納悶,明明下場前綁得好好的,也檢查過,為什麼這麼容易就鬆開了?關心的球友圍上前來,拉我起身,聽我說起鞋帶的問題,紛紛提供訣竅:「多打個結,就不容易掉了!」


我坐在場邊休息,想著大家的說法。多打個結就可以避免脫落,這是處理「HOW」的層次,是工程師碰到問題時尋找解方的思考,但並沒有回答「WHY」的緣由,如何解釋原先綁得緊緊的鞋帶,會無端端的自動鬆開?


鞋帶掉了,也勾起了我不久前的記憶。5月初,我到新加坡開會,由於跑道不夠,那天早上起降班機又特別多,延誤了半個小時才登機,又在機坪上等了半個小時,抵達新加坡機場時,已經遲到一個多小時。我心裡很急,將心比心,南洋理工大學派來接機的人肯定更急。一出機門,我疾步往海關走去,三步併兩步,越走越快,最後乾脆小跑步。我一身輕裝搭球鞋,健步如飛,很快通過海關,轉個彎直衝電扶梯,眼看出口就在前方,我才停下腳步,稍稍歇口氣。忽然後方有人用力拍了我的肩膀,叫了一聲:「你的鞋帶掉了,小心被電扶梯捲進去!」


我嚇了一跳,往下一看,果然右腳鞋帶鬆了,就掛在夾層邊,萬一被捲進去,卡住電梯,導致緊急煞住,恐怕就要殃及電扶梯上成排緊貼站立的旅客了!我抬起右腳,鞋帶晃啊晃的,靠著左腳金雞獨立,直到抵達地面。我縱身一跳,仍心有餘悸。好險,好險!那時我也是瞪著鬆開的鞋帶百思不解,明明出機門前才結結實實綁好的,怎麼一會兒功夫就又鬆開了,還害得我差點變成肇事者?


鞋帶呀,鞋帶!有它們將鞋子牢牢固定在雙腳上,走起路來才不會「離離落落」,它們本應是鞋子和腳的守護神哩!而且它們的功能不僅於此,更能為造型加分呢!蝴蝶結的兩個圈圈打得完美對稱,顯得大方又美麗;五顏六色的鞋帶取代黑白鞋帶成為流行配件,足下風光顯得創意無窮!此外,每個為人父、為人母的都有相同體驗:教小小孩綁鞋帶,既是困難的挑戰,卻又是親情交會的最佳時光。


那個時候,爸爸媽媽不再高高在上,而是蹲下來不厭其煩一次又一次示範,甚至大手握小手,四手並進。當小孩成功打出蝴蝶結的瞬間,即使歪歪扭扭,父母總是感動莫名,孩子則是臉上帶著完成大事的歡欣,蹦蹦跳跳的跑開了。對父母來說,小孩學會綁鞋帶,就像他們第一次翻身、第一次站立、跨出第一步、開口說第一個字,都是成長的里程碑。當然,記憶裡也總有一幕:孩子從外頭慢慢走回家,邊走邊哭,你以為發生什麼大事了?原來只是鞋帶掉了!你又好氣又好笑,卻還是蹲下來,輕聲細語安慰說:「沒事,沒事,我們再綁一次,就好了!」試想,我們不都是在諸如綁鞋帶失敗和成功這類生活啟示中,學習做人做事的道理嗎?


鞋帶綁緊又不知不覺鬆開了,看似生活小事,但一不小心,造成個人意外或社會事故(機場或捷運的電扶梯緊急暫停),就變成大事一件了!這其中的緊和鬆,絕對有物理作用,那是什麼呢?科學家要用什麼方法來研究這生活裡說小不小說大不大的困擾呢?


美國加州大學柏克萊分校的機械工程系教授歐萊禮(Oliver O’Reilly)帶著兩個博士生,花了兩年時間,利用下班後的時間,穿著綁好鞋帶的布鞋,在空曠無人的走廊上來回行走、慢步、快走、小跑步、慢跑、快跑、衝刺??,用高速攝影機記錄下來,再以慢速度觀看鞋帶舞動的變化,同時也在腳的四周裝上感應器,測量鞋子踩地離地的力。結果發現,跑步的時候,鞋底承受了比一般地心引力高出七倍的力,傳到繩結的纏結點,加上腳的擺動,一次又一次的,就衝開了牢牢繫緊的繩結。


仔細觀看跑步的影像,可清楚察覺,畫面上有兩組移動的力同時發生。一組力來自腳抬高又往下踩到地面的垂直力,而另一組是兩腳交互往前往後所產生的水平力。到底哪一組力是使鞋帶鬆開的禍首?科學家做了進一步的實驗來回答這個問題。當鞋帶綁緊之後,如果只是坐在椅子上不停搖動騰空的雙腳而不踏步前進,那麼即使搖晃了上萬次,鞋帶也不會因此鬆開,原因就是缺少了來自鞋底踏地所反應出的衝擊力。只有垂直力加上水平力,才能逐漸讓鞋帶鬆綁!


既然衝開繩結的原因已解,幾位科學家也據此測試各種鞋帶綁法的優缺點。他們發現,所謂的「祖母結」最容易鬆開,因為繩結的一個圈向著腳的大拇指,一個圈向著腳後跟,和加速力的方向一致;要想綁個不易鬆開的結,兩個對稱的圈圈必須和腳掌成垂直!這個結論很重要,可以供外科醫生和護士參考,在為病人開刀、以針線縫緊傷口時,循此原理打結,就應該可以減少線頭鬆脫的顧慮了。


鞋帶是生活小物,但為解開它不受控的謎底,既導出物理學基本原理,又能應用到外科手術的效能上,科學研究的表現,如同小戴連番封后締造紀錄一樣,充滿驚喜,又讓人讚不絕口!


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