Een nieuwe studie door werktuigbouwkundigen van UC Berkeley laat eindelijk zien waarom je schoenveters mogelijk los blijven zitten. Het is een vraag die iedereen stelt, vaak nadat ze zijn gestopt om hun schoenen opnieuw te strikken, toch een die niemand tot nu toe had onderzocht. Het antwoord, de studie suggereert, is dat een dubbele klap van stampende en opzwepende krachten werkt als een onzichtbare hand, de knoop losmaken en vervolgens aan de vrije uiteinden van je veters trekken totdat het geheel ontrafelt.

De studie is meer dan een voorbeeld van wetenschap die een schijnbaar voor de hand liggende vraag beantwoordt. Een beter begrip van de knoopmechanica is nodig voor een scherper inzicht in hoe geknoopte structuren bezwijken onder verschillende krachten. Met behulp van een slow-motion camera en een reeks experimenten, de studie toont aan dat het falen van een schoenveterknoop binnen enkele seconden gebeurt, veroorzaakt door een complexe interactie van krachten.

"Als je het hebt over geknoopte structuren, als je de schoenveter kunt begrijpen, dan kun je het op andere dingen toepassen, zoals DNA of microstructuren, die falen onder dynamische krachten, " zei Christopher Daily-Diamond, studeer co-auteur en een afgestudeerde student aan Berkeley. "Dit is de eerste stap om te begrijpen waarom bepaalde knopen beter zijn dan andere, wat niemand echt heeft gedaan."

De studie wordt op 12 april gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de Royal Society A .

Er zijn twee manieren om de gewone schoenveterstrik te knopen, en de een is sterker dan de ander, maar niemand weet waarom. De sterke versie van de knoop is gebaseerd op een vierkante knoop:twee kantkruisingen van tegengestelde handigheid op elkaar. De zwakke versie is gebaseerd op een valse knoop; de twee kantkruisingen hebben dezelfde handigheid, waardoor de knoop gaat draaien in plaats van plat te liggen wanneer hij wordt aangedraaid. De huidige studie laat zien dat beide versies op dezelfde manier falen, en legt de basis voor toekomstig onderzoek naar waarom de twee vergelijkbare structuren verschillende structurele integriteit hebben.

"We proberen knopen te begrijpen vanuit een mechanisch perspectief, zoals waarom je twee strengen kunt nemen en ze op een bepaalde manier kunt verbinden die erg sterk kan zijn, maar een andere manier om ze te verbinden is erg zwak, " zei Oliver O'Reilly, een Berkeley hoogleraar werktuigbouwkunde, wiens lab het onderzoek heeft uitgevoerd. "We waren in staat om aan te tonen dat de zwakke knoop altijd zal falen en de sterke knoop zal falen op een bepaalde tijdschaal, maar we begrijpen nog steeds niet waarom er een fundamenteel mechanisch verschil is tussen die twee knopen."

Het doel van de nieuwe studie was om een ​​basisbegrip te ontwikkelen van de mechanica van hoe een vlinderdasknoop van een schoenveter loskomt onder dynamische krachten. Eerdere studies hebben beschreven hoe geknoopte constructies bezwijken onder aanhoudende belasting, maar weinig onderzoek heeft aangetoond hoe geknoopte constructies bezwijken onder de dynamische druk van veranderende krachten en belastingen.

De eerste stap was om het proces van het losmaken van een schoenveter in slow motion vast te leggen. Studie co-auteur en afgestudeerde student Christine Gregg, een renner, trok een paar hardloopschoenen aan en rende op een loopband terwijl haar collega's haar schoenen filmden.

De onderzoekers ontdekten dat een schoenveterknoop als volgt loskomt:je voet raakt de grond met zeven keer de zwaartekracht. De knoop rekt zich uit en ontspant vervolgens als reactie op die kracht. Naarmate de knoop losser wordt, het slingerende been oefent een traagheidskracht uit op de vrije uiteinden van de veters, wat snel leidt tot het falen van de knoop in slechts twee stappen nadat traagheid op de veters inwerkt.

"Om mijn knopen los te maken, Ik trek aan het vrije uiteinde van een vlinderdas en het komt los. De schoenveterknoop komt los door dezelfde soort beweging, " zei Gregg, een Berkeley Chancellor's Fellow. "De krachten die dit veroorzaken komen niet van een persoon die aan het vrije uiteinde trekt, maar van de traagheidskrachten van het been dat heen en weer zwaait terwijl de knoop wordt losgemaakt van de schoen die herhaaldelijk de grond raakt."

Naast de dynamische interactie van krachten op de knoop, de beelden onthulden ook een grote versnelling aan de basis van de knoop. Om dieper te graven, de onderzoekers gebruikten vervolgens een inslaande slinger om een ​​schoenveterknoop te zwaaien en de knoopmechanica te testen met behulp van een verscheidenheid aan verschillende veters.

"Sommige veters zijn misschien beter dan andere voor het maken van knopen, maar de fundamentele mechanica waardoor ze falen is hetzelfde, we geloven, ' zei Gregg.

De onderzoekers testten ook hun theorie dat toenemende traagheidskrachten op de vrije uiteinden zouden leiden tot het op hol slaan van de knoop. Ze voegden gewichten toe aan de vrije uiteinden van de veters op een slingerende knoop en zagen dat knopen bij hogere snelheden faalden naarmate de traagheidskrachten op de vrije uiteinden toenam.

"Je hebt echt zowel de impulskracht aan de basis van de knoop nodig als de trekkrachten van de vrije uiteinden en de lussen, "Zei Daily-Diamond. "Je krijgt blijkbaar geen knoopfalen zonder beide."

Natuurlijk, wanneer iemand gaat wandelen of rennen, hun schoenveters komen niet altijd los. Strak vastgebonden veters kunnen meer cycli van impact en beenzwaai vereisen om knoopfalen te veroorzaken dan bij een dag wandelen of rennen. Er is meer onderzoek nodig om alle variabelen die bij het proces betrokken zijn uit elkaar te halen. Maar het onderzoek biedt wel een antwoord op de vervelende vraag waarom je veters het ene moment goed lijken en het andere moment loskomen.

"Het interessante van dit mechanisme is dat je veters heel lang goed kunnen blijven, en pas als je een klein beetje beweging krijgt om losraken te veroorzaken, begint dit lawine-effect dat leidt tot knoopfalen, ' zei Gregg.