Удар стопы расшатывает узел, а свободные концы его распускают
Первым делом команда из лаборатории профессора Оливера ОРайли 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.
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.
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.
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.
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.
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.