打結(jié)，沒那么簡單

江東雪/

我們在生活中常常見到各式各樣的繩結(jié)，綁鞋帶、織毛衣、打繃帶、安全繩等，繩結(jié)在各個地方發(fā)揮著重要的作用。但是，繩結(jié)是怎么發(fā)揮作用的呢，為何綁了結(jié)的繩子比未綁結(jié)的強(qiáng)度更大？讓科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)來告訴你答案。

科學(xué)家教你打結(jié)

只是打了個結(jié)，繩子為什么會發(fā)生這么大的變化，科學(xué)家對此也很好奇，他們還想知道，如何打結(jié)才能讓這種力量發(fā)揮最大化？為了解答這些疑問，美國麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家約恩·鄧克爾和同事用可變色的纖維打了各種繩結(jié)，根據(jù)其不同部位在受到變化的應(yīng)力和壓力時所呈現(xiàn)出的顏色差異，來研究不同的繩結(jié)哪個更牢固及其原因。

在研究中，他們先將變色纖維編織成各種各樣的扭結(jié)，比如三葉結(jié)、八字結(jié)等，然后拍下每一根纖維的圖像，記錄下纖維顏色的改變揭示的力的變化，由此總結(jié)出一系列公式，用于計(jì)算每一個結(jié)點(diǎn)被彎曲或變形時所受到的力。隨后，科學(xué)家們用這個公式預(yù)測了新的繩結(jié)在受到不同大小的力時會呈現(xiàn)出的顏色，實(shí)際結(jié)果與預(yù)測結(jié)果一致，這表明了公式的準(zhǔn)確性。

接下來，科學(xué)家就可以真正研究打結(jié)的秘訣了。正如日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們的那樣，在同一個位置打的結(jié)越多，這個結(jié)就會越牢固，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)論：與只有6個結(jié)點(diǎn)的平結(jié)相比，登山者常用的阿爾卑斯蝴蝶結(jié)相交點(diǎn)的個數(shù)是12，其牢固程度遠(yuǎn)高于平結(jié)。之所以會這樣，科學(xué)家也給出了科學(xué)的解釋，當(dāng)我們拉緊繩子時，結(jié)點(diǎn)處的繩子會發(fā)生相互摩擦，而處于中間的繩子會受到兩側(cè)繩子的同一方向的作用力以至于發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)作用使繩子打滑，穩(wěn)固性較差。但在多結(jié)點(diǎn)的繩子中，繩子受到的作用力相互抵消，使其不易旋轉(zhuǎn)和打滑，具有更好的安全性。

同樣的原因也體現(xiàn)在相同結(jié)點(diǎn)數(shù)但復(fù)雜程度不一致的繩結(jié)中，比如與平結(jié)十分類似的“祖母結(jié)”。祖母結(jié)的打結(jié)方法與平結(jié)相同，都是將兩端線頭纏繞兩次，不同的是，在第二次纏繞時，平結(jié)會交換一次線頭的方向，將原本在下的線頭移到上方，而祖母結(jié)則維持原樣。這一點(diǎn)小改變對繩結(jié)的影響是巨大的，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，祖母結(jié)的穩(wěn)固程度遠(yuǎn)不及平結(jié)。

這是因?yàn)?，平結(jié)的結(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的摩擦力方向是相反的，可以相互抵消而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。而祖母結(jié)雖然也有相同數(shù)量的結(jié)點(diǎn)，但因?yàn)槔K子的方向不變，彼此平行，會產(chǎn)生相同方向的作用力，使交點(diǎn)處的繩子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種情況下的繩易于發(fā)生旋轉(zhuǎn)打滑。將平結(jié)誤打成祖母結(jié)是許多攀巖新手常犯的錯誤，甚至可能引發(fā)危險(xiǎn)，因此祖母結(jié)也被戲稱為“外行平結(jié)”。

兩根平行的緊密接觸的繩子，相對于同向拉扯，反向拉扯時的摩擦力會更大，它們形成的結(jié)也會更加穩(wěn)固，這個原理適用于用多根繩索打出的繩結(jié)。比如我們分別用兩根繩索綁出兩個一模一樣的平結(jié)，在將它們拉緊時，第一個平結(jié)拉扯同一水平線的兩根繩索，第二個平結(jié)拉扯交叉的兩根繩索，這樣綁出的兩個平結(jié)其牢固程度也大不相同，前者遠(yuǎn)高于后者。第一種拉緊方法不僅能賦予中間部分的繩段相反的拉扯方向，而且上下4對繩段處拉扯方向也是相反的;而后者則只有中間繩段拉扯方向相反，上下4對繩段的拉扯方向卻是相同的，因此緊固程度不如前者。

運(yùn)用上述結(jié)論，利用交點(diǎn)更多、受力相抵和反向拉扯等方法，科學(xué)家們打出了一個比阿爾卑斯蝴蝶結(jié)更緊固的繩結(jié)，他們稱之為齊柏林結(jié)。在進(jìn)行登山、攀巖或高空作業(yè)等危險(xiǎn)活動時，齊柏林結(jié)能為人們提供更大的安全保障。

自然結(jié)奧秘更多

如果你認(rèn)為，科學(xué)家們研究打結(jié)只是為了教人們打出更牢固的結(jié)，那你就錯了。事實(shí)上，打結(jié)并不是人類的專利，在自然界中，天然形成的繩結(jié)一點(diǎn)也不少，科學(xué)家更想要弄清楚其中的奧秘。

我們已經(jīng)知道，DNA是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，在生物的一生中，DNA會發(fā)生無數(shù)次的解旋和重組，這實(shí)質(zhì)就是一次次解結(jié)和打結(jié)的過程。

生物為何選擇這種打結(jié)方式，又是如何保證每個“繩結(jié)”都一模一樣的？揭開這一謎底對我們理解生物的誕生和演化大有裨益。此外，與DNA相比，蛋白質(zhì)的“打結(jié)”技術(shù)更加高超，每一種蛋白質(zhì)都有其專屬的打結(jié)模式，一旦發(fā)生錯誤，其功能就會受到影響。生物學(xué)家同樣需要理解蛋白質(zhì)的打結(jié)法，以治愈各種因蛋白質(zhì)錯誤合成而導(dǎo)致的疾病。

物理學(xué)家也很喜歡自然界中的結(jié)，比如會打結(jié)的旋渦。旋渦會在液體、氣體和等離子體中形成，包括水體、天空氣流乃至河外星系等宇宙各處都有其身影，這些旋渦并不是平直的結(jié)構(gòu)，而是會像鞋帶一樣扭曲打結(jié)，100多年前就有物理學(xué)家提出了這一理論，但直到近些年，科學(xué)家才觀察到這種現(xiàn)象。

2016年，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)高能激光在行進(jìn)中能自行扭曲形成煙圈狀旋渦，這種結(jié)構(gòu)在所有激光中普遍存在，并且很容易人工制造。“光旋渦”在光圈內(nèi)流動，再沿著外圈返回，它在前行過程中能控制能量不從周圍流失，如果能運(yùn)用好這種結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)清晰度更高的光學(xué)顯微鏡、增加光纖通訊線路的帶寬等。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)可以在液體中制造打結(jié)的旋渦了。他們用三維打印機(jī)在流體中制造了一種扭曲絞轉(zhuǎn)的水翼，當(dāng)加速到一定轉(zhuǎn)速時，它在液體中推出形如水翼自身的旋渦。在水中形成的氣泡向旋渦中心移動，研究人員能清楚地觀察旋渦的核心，并借助高速攝像頭記錄下來。鏡頭記錄下了渦流拉長、繞圈、相碰，改變排列狀態(tài)抑或自行解開而消失的一系列過程，這有助于科學(xué)家們了解可能存在于中子星的內(nèi)核和恒星的等離子體中的打結(jié)旋渦的狀態(tài)和變化過程。

看似簡單的繩結(jié)，不僅能幫助人類解決許多問題，還隱藏著許多秘密，等待著人類去探索。