Un nuovo studio condotto da ingegneri meccanici presso l'UC Berkeley mostra finalmente perché i lacci delle scarpe possono continuare a slacciarsi. È una domanda che fanno tutti, spesso dopo essersi fermati per allacciarsi le scarpe, eppure uno che nessuno aveva indagato fino ad ora. La risposta, lo studio suggerisce, è che un doppio smacco di forze che calpestano e frustano agisce come una mano invisibile, allentando il nodo e poi tirando le estremità libere dei lacci fino a quando il tutto si dipana.

Lo studio è più di un esempio di scienza che risponde a una domanda apparentemente ovvia. È necessaria una migliore comprensione della meccanica dei nodi per comprendere meglio come le strutture annodate si guastano sotto una varietà di forze. Utilizzando una telecamera al rallentatore e una serie di esperimenti, lo studio mostra che la rottura del nodo dei lacci delle scarpe avviene in pochi secondi, innescato da una complessa interazione di forze.

"Quando parli di strutture annodate, se puoi iniziare a capire il laccio delle scarpe, poi puoi applicarlo ad altre cose, come DNA o microstrutture, che falliscono sotto forze dinamiche, " ha detto Christopher Daily-Diamond, co-autore dello studio e studente laureato a Berkeley. "Questo è il primo passo per capire perché certi nodi sono migliori di altri, cosa che nessuno ha mai fatto".

Lo studio sarà pubblicato il 12 aprile sulla rivista Atti della Royal Society A .

Ci sono due modi per legare il comune nodo del papillon dei lacci delle scarpe, e uno è più forte dell'altro, ma nessuno sa perché. La versione forte del nodo si basa su un nodo quadrato:due incroci di pizzo di mano opposta uno sopra l'altro. La versione debole si basa su un falso nodo; i due incroci di pizzo hanno la stessa manualità, facendo sì che il nodo si attorcigli invece di rimanere piatto quando viene stretto. L'attuale studio mostra che entrambe le versioni falliscono allo stesso modo, e pone le basi per future indagini sul motivo per cui le due strutture simili hanno integrità strutturali diverse.

"Stiamo cercando di capire i nodi dal punto di vista della meccanica, ad esempio perché puoi prendere due fili e collegarli in un certo modo che può essere molto forte, ma un altro modo di collegarli è molto debole, " ha detto Oliver O'Reilly, un professore di ingegneria meccanica a Berkeley, il cui laboratorio ha condotto la ricerca. "Siamo stati in grado di dimostrare che il nodo debole fallirà sempre e il nodo forte fallirà in una certa scala temporale, ma ancora non capiamo perché c'è una differenza meccanica fondamentale tra quei due nodi".

L'obiettivo del nuovo studio era quello di sviluppare una comprensione di base della meccanica di come un nodo di un papillon si scioglie sotto forze dinamiche. Precedenti studi hanno descritto come le strutture annodate cedano sotto carichi sostenuti, ma poche ricerche hanno mostrato come le strutture annodate cedano sotto le pressioni dinamiche di forze e carichi mutevoli.

Il primo passo è stato registrare il processo di slacciamento del nodo di una scarpa al rallentatore. La coautrice dello studio e studentessa Christine Gregg, un corridore, ha allacciato un paio di scarpe da corsa e ha corso su un tapis roulant mentre i suoi colleghi filmavano le sue scarpe.

I ricercatori hanno scoperto che un nodo del laccio delle scarpe si scioglie in questo modo:quando si corre, il tuo piede colpisce il suolo con una forza di gravità sette volte superiore. Il nodo si allunga e poi si rilassa in risposta a quella forza. Mentre il nodo si scioglie, la gamba oscillante applica una forza d'inerzia sulle estremità libere dei lacci, che porta rapidamente alla rottura del nodo in appena due falcate dopo che l'inerzia agisce sui lacci.

"Per sciogliere i miei nodi, Tiro l'estremità libera di un papillon e viene disfatto. Il nodo del laccio delle scarpe si scioglie a causa dello stesso tipo di movimento, " disse Gregorio, un membro del cancelliere di Berkeley. "Le forze che causano questo non provengono da una persona che tira l'estremità libera, ma dalle forze d'inerzia della gamba che oscilla avanti e indietro mentre il nodo viene sciolto dalla scarpa che colpisce ripetutamente il suolo."

Oltre all'interazione dinamica delle forze sul nodo, il filmato ha anche rivelato una grande magnitudo di accelerazione alla base del nodo. Per scavare più a fondo, i ricercatori hanno quindi utilizzato un pendolo impattante per far oscillare un nodo di una scarpa e testare la meccanica del nodo utilizzando una varietà di lacci diversi.

"Alcuni lacci potrebbero essere migliori di altri per fare i nodi, ma la meccanica fondamentale che li fa fallire è la stessa, noi crediamo, " disse Gregorio.

I ricercatori hanno anche testato la loro teoria secondo cui l'aumento delle forze d'inerzia sulle estremità libere innescherà il cedimento incontrollato del nodo. Hanno aggiunto pesi alle estremità libere dei lacci su un nodo oscillante e hanno visto che i nodi fallivano a velocità più elevate man mano che le forze d'inerzia sulle estremità libere aumentavano.

"Hai davvero bisogno sia della forza impulsiva alla base del nodo che delle forze di trazione delle estremità libere e dei cappi, "Daily-Diamond ha detto. "Sembra che non si riesca a rompere il nodo senza entrambi".

Certo, quando una persona cammina o corre, i loro lacci delle scarpe non si slacciano sempre. I lacci stretti possono richiedere più cicli di impatto e oscillazione delle gambe per causare la rottura del nodo rispetto a quelli che si potrebbero sperimentare in una giornata di camminata o corsa. Sono necessarie ulteriori ricerche per separare tutte le variabili coinvolte nel processo. Ma lo studio offre una risposta alla fastidiosa domanda sul perché i tuoi lacci sembrano a posto un minuto e poi si slacciano il prossimo.

"La cosa interessante di questo meccanismo è che i tuoi lacci possono andare bene per molto tempo, e non è finché non fai un piccolo movimento per causare l'allentamento che inizia questo effetto valanga che porta alla rottura del nodo, " disse Gregorio.