Kodėl savaime atsiriša batų raišteliai? Mechanikos inžinieriai viską paaiškino (1)
Naujas tyrimas, kurį atliko Kalifornijos universiteto (JAV) mechanikos inžinieriai, parodė, kodėl kartais batų raišteliai atsiriša savaime. Kai tai nutinka ir jums, ir kai priklaupiate užsirišti, turbūt kyla klausimas, kodėl batų raištelis atsirišo savaime? Tyrimas parodė, kad atsakymas slypi dvigubame veiksme – kojos trypime į žemę ir judesyje į priekį, dėl ko atlaisvėja mazgas, o raištelių galai ima stumtis į priekį, kol galiausiai viskas atsilaisvina.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Šis tyrimas yra daugiau nei paprastas pavyzdys, kaip mokslas atsako į akivaizdžius klausimus. Kad išsiaiškintų, kaip mazgo struktūra atsilaisvina veikiant įvairioms jėgoms, būtina geriau suprasti mazgo mechanines savybes. Tyrimo metu eilė eksperimentų buvo filmuojami sulėtinto vaizdo kamera – kuri parodė, kad mazgo struktūra atsilaisvina vos per kelias sekundes, o šį procesą iššaukia įvairių jį veikiančių jėgų visuma.
Tyrimo bendraautorius Christopheris Daily-Diamondas sako, kad kai kalbame apie mazgų struktūras, supratus kaip reaguoja batų raišteliai, šį supratimą galima pritaikyti ir kitose srityse – tokiose kaip DNR ar mikrostruktūrose, kurios taip pat išyra, jas veikiant dinaminėms jėgoms. Anot jo, tai taip pat padeda suprasti, kodėl vieni mazgai yra geresni už kitus. To iki šiol niekas nemėgino paaiškinti.
Tyrimas 2017 metais balandžio mėnesio 11 dieną buvo publikuotas moksliniame žurnale „Proceedings of the Royal Society A“.
Du būdai
Yra du būdai, kaip surišti įprastą bato raištelių mazgą – ir vienas iš šių būdų yra geresnis už kitą, tačiau niekas nežino kodėl. Stipresnio mazgo versija yra paremta kvadratiniu mazgu: du sukryžiuoti raišteliai, esantys vienas ant kito, kurių galai nukreipti į priešingas puses. Silpnoji versija yra paremta neteisingu mazgu: abiejų batų raištelių galai yra nukreipti į tą pačią pusę, o mazgą užtvirtinus, jis lieka susuktas, o ne tiesus. Atliktas tyrimas rodo, kad abi versijos atsiriša vienodai, o tai padeda pamatus ateities tyrimams išsiaiškinti, kodėl dvi panašios struktūros pasižymi skirtingu vientisumu.
Kalifornijos universiteto mechaninės inžinerijos profesorius Oliveris O‘Reilly, kurio laboratorija ir atliko tyrimą, sako, kad mokslininkai mėgina suprasti mazgus iš mechaninės pusės – pavyzdžiui, kodėl surišus du raištelius tam tikru būdu, mazgas yra tvirtas, tačiau juos surišus kitokiu būdu, mazgas yra silpnas. Mokslininkas pasakoja, kad jiems pavyko pademonstruoti, kad silpnas mazgas visuomet atsiriša, o stiprus mazgas atsiriša tik per tam tikrą laiką – tačiau vis dar nėra aišku, kodėl yra pamatinis mechaninis skirtumas tarp šių dviejų mazgų.
Šio tyrimo tikslas buvo sukurti pamatinį supratimą apie batų raištelių mechaninę pusę, ir kodėl esant tam tikroms sąlygoms, raišteliai atsiriša. Ankstesnių tyrimų metu buvo apibūdinta, kaip mazgai atsiriša juos veikiant ilgalaikei apkrovai – tačiau nebuvo aišku, kodėl mazgas atsiriša veikiant dinaminėms jėgoms ir apkrovoms.
Pirmas žingsnis buvo įrašyti procesą, kaip surištas mazgas atsiriša. Tyrimo bendraautorė Christine Gregg apsiavė porą bėgimo batelių ir bėgo ant bėgimo takelio – o jos kolegos filmavo jos batus.
Nulemia smūgis
Mokslininkai išsiaiškino, kad batų raišteliai atsiriša štai taip: bėgant pėda smūgiuoja į žemę 7 kartus didesne jėga, nei gravitacijos jėga. Dėl minėtos jėgos mazgas išsitempia ir atsipalaiduoja. Mazgui atsilaisvinus, judanti koja ties raištelių galais sukuria inercinę jėgą, o tai labai greitai nulemia mazgo atsilaisvinimą vos po kelių žingsnių, kurių metu inercija veikia raištelius.
C.Gregg sako, kad norėdama atrišti raištelį, ji patempia už raištelio galiuko. Mazgas atsiriša dėl panašaus judesio – tačiau tai sukeliančios jėgos atsiranda ne iš laisvą galą traukiančio žmogaus, o iš inercinės jėgos koją judinant pirmyn ir atgal – o pats mazgas atlaisvėja koja trenkiant į žemę.
Be to, kaip parodė filmuota medžiaga, mazgo centrinę dalį veikia stipri akceleracija. Tada mokslininkai panaudojo švytuoklę, kad sūpuotų raištelių mazgą naudojant skirtingus raištelius. C.Gregg sako, kad kai kurie raišteliai gali būti geresni nei kiti, tačiau jų atsilaisvinimą ir atsirišimą lemiantys mechaniniai veiksniai yra tokie patys.
Mokslininkai taip pat patikrino teoriją, kad padidinus inercinę jėgą ties raištelių galiukais, tai paskatina mazgo atsilaisvinimą. Prie sūpuojamų raištelių galiukų jie pritvirtino papildomą svorį – ir įsitikino, kad mazgas atsiriša greičiau, kadangi ties galiukais juos veikia didesnę inercinė jėga.
C.Daily-Diamondas sako, kad ties raištelių galiukais reikia tiek impulsyvios jėgos ties mazgo pagrindu, tiek traukiančios jėgos. Be šių dviejų jėgų mazgas neatsiriš.
Žinoma, kai žmogus eina pasivaikščioti ar pabėgioti, jo raišteliai ne visada atsiriša. Tvirtai surišti raišteliai reikalauja daugiau išcentrinės jėgos ciklų, kad mazgas atsirištų – nei kad jų įvyksta išėjus įprastam pasivaikščiojimui ar pabėgiojimui. Žinoma, būtina atlikti daugiau tyrimų, siekiant išsiaiškinti kintamuosius šiame procese. Tačiau tyrimas pateikia atsakymą į erzinantį klausimą, kodėl vieną minutę batų raištelių mazgas atrodo tvirtai surištas, o kitą jau būna atsilaisvinęs.
C.Gregg sako, kad įdomioji šio mechanizmo dalis yra ta, jog batų raišteliai gali būti tvarkingi ilgą laiką – ir labai nedidelis judesys gali nulemti greitą mazgo atlaisvėjimą.
