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篮球鞋踩地板吱吱作响?与龙虾、小提琴和地震有关

来源:懒熊体育      2017-03-24 09:52:19   点击量:1711

导语
篮球鞋在地板上摩擦会不会响,与鞋底抓地力强不强没有必然联系,鞋底花纹的形状是决定球鞋摩擦声音的关键,球鞋的抓地力并非越强越好。今天,咱们聊聊鞋底的科学。

你知道吗?

篮球鞋在地板上摩擦会不会响,与鞋底抓地力强不强没有必然联系;

鞋底花纹的形状是决定球鞋摩擦声音的关键;

球鞋的抓地力并非越强越好。

今天,咱们聊聊鞋底的科学。

篮球比赛是场喧闹的大Party

篮球撞击地板的闷响,裁判尖利的哨音,教练的咆哮,人群的欢呼……在这之外,还有一种声音,它不那么引人注意,但却是篮球场上不曾停止的背景旋律——球鞋在地板上摩擦的吱吱声。

我们知道球鞋在地板上发出的声音是因为摩擦,但为什么摩擦会发出声音?今天我们就来聊聊科学。从科学的角度,篮球鞋摩擦发声这件事,得从龙虾、小提琴和地震说起。

龙虾、小提琴和篮球鞋的交集是?

杜克大学的生物学家西拉·帕特克(Sheila Patek)是一位研究龙虾的专家。几年前,她发现一种无鳌龙虾有个罕见的天赋技能。这种龙虾叫断沟龙虾(Panulirus interruptus),为了吓退天敌,它会用自己触须根部光滑而有弹性的凸起与自己头部光滑且坚硬的甲壳摩擦,发出巨大的声响。

▲ 断沟龙虾(Panulirus interruptus)

断沟龙虾晃动触须发出怪声,可以用工程学中的粘滑现象(stick-slip phenomenon)解释:当两个相对光滑或平坦的物体表面相接触,在应力的作用下发生“滑动-粘结-滑动”循环往复的现象就叫粘滑现象,这个过程会产生震动,并往往伴有声音。

▲ 稳定滑动(Stable sliding)、蠕动(Creeping)和粘滑运动(Stick slip)的累计位移与时间变化曲线

这就是为什么有时刹车会异响,老旧的门轴会吱吱呀呀,雨刷在挡风玻璃上刮擦时啧啧作响,用手摩擦高脚杯杯口和充满气的气球能发出声音。这也是为什么,小提琴手用琴弓在琴弦上轻轻一拉,就能创造出美妙的音乐。

“如果你拉过小提琴,你就明白,你得用琴弓向琴弦施加一点压力,然后不断拉动琴弓,制造琴弓和琴弦之间的粘滑现象,每次滑动就产生了声音。这与断沟龙虾发出怪声是一样的。”西拉·帕特克说。

不过,在美国的三月中旬,在杜克大学这所传统篮球强校,有种东西比西拉·帕特克实验室里的断沟龙虾更频繁地发生粘滑现象制造声音。

“篮球鞋!”帕特克笑着说。

在NBA职业篮球赛场上,球鞋与地板的摩擦声几乎被嘈杂的音乐和兴奋的观众发出的喧闹完全掩盖。(不过,最近战绩糟糕纽约尼克斯倒是颇具实验精神,在一场主场迎战金州勇士队的比赛上半场,尼克斯场馆没有播放任何音乐和娱乐声效,他们宣称要让球迷“享受比赛原本的声音。”对此,勇士队主教练史蒂夫·科尔表示,当时的比赛气氛“很奇怪(weird)”,而勇士队明星前锋德拉蒙德·格林甚至直言“这很可悲”。)

但在NCAA疯狂三月(男篮锦标赛)的前两轮比赛,每双球鞋在地板上的声音都能被清清楚楚地听见。这要归功于NCAA的赛程安排和赛场规定。NCAA男篮锦标赛每轮比赛的办赛地点都由NCAA协会事先指定,不在办赛城市的大学球队只能千里迢迢赶来参战。由于当地观众很可能对交战双方都不了解,更谈不上感情归属,所以观赛的热情也就没那么高涨;而比赛过程中,NCAA规定只有比赛暂停时才能播放乐队音乐,并且绝大多数比赛中也不会添加任何人工声效。所以NCAA锦标赛的前几轮比赛,除了教练偶尔的咆哮,球鞋摩擦的吱吱声是球场唯一的背景音。

“粘滑运动”、地震和橡胶的“魔术三角”

当我们听到球鞋摩擦的声响时,我们究竟听到了什么?究竟是什么制造出了这种尖锐的声音?很少有人会琢磨这个问题,相关的科学研究也非常少。不过,的确有人对这个问题钻了牛角尖。在波特兰俄勒冈,一家服务于运动鞋制造商的生物力学咨询公司研究了球鞋摩擦发声的原理,公司创始人叫马丁·肖腾(Martyn Shorten)。2006年,马丁·肖腾向美国生物力学协会展示了他的研究成果。

“球鞋外底的人字形花纹使鞋底与地板发生粘滑运动时以其低阶固有频率震动,”马丁·肖腾和他的研究合作伙伴Xia Xi得到了这样的结论。

▲ 球鞋外底的人字形花纹

这样的震动造成了声响——短促、响亮而尖锐球鞋摩擦声。对观众来说,这种声音可能属于噪音,但对球员来说它却不可或缺。

“我们(设计者)在测试鞋子的时候不会关注鞋底是不是能发出声响,但球员和试穿者们会关心这一点”,耐克高级设计总监张传禧(Leo Chang)说。“鞋底摩擦的吱吱声对许多球员来说是种保障。他们会去听这种声音,这从听觉上给他们带来一种感觉,觉得这样的球鞋抓地力强。”

但鞋底吱吱作响不仅意味着抓地力,还意味着滑动。这涉及到一个非常复杂的科学问题,从球鞋设计师到研究橡胶的科学家、从机械工程师到声学专家,甚至再到上文提到的研究龙虾的生物学家,大批不同领域的专家不断地对一个问题进行研究和解释——粘滑运动。

所有这些专家都认同,篮球鞋和地板摩擦发声的本质是粘滑运动。而这与地震的发震原理很相似:地震学家认为,在应力作用下地壳中的刚性块体沿断层发生“滑动-锁闭-再滑动”的相对运动,在滑动的过程中产生了震动,这种震动就是地震。

▲ 在应力作用下地壳中的刚性块体沿断层发生相对运动

除了地震,生活中还有一个令人难以接受的粘滑现象——粉笔在黑板上划出的刺耳声音,这也是一种粘滑运动。

再说回到篮球场上。生物力学家马丁·肖腾表示,粘滑运动“一般发生在球员脚刚落地或发力启动的瞬间。”

在球员穿着球鞋的脚由运动转为静止的那一刻,以及球员脚部发生扭转或弹起迈出下一步的瞬间,篮球鞋布满复杂纹路的橡胶外底会经历“黏着——滑动——再黏着”的过程。这个过程看起来像是截然停止,但实际上橡胶外底的设计正是为了让这个过程有一个过渡。如果篮球鞋抓地力过强,穿着它球员的动作会变得不协调;如果抓地力不足,又会增加滑倒的风险。

耐克设计师张传禧说:“我将这种摩擦声看作是一双球鞋抓地力达到平衡的最佳信号。”

尤迪特·普斯卡什(Judit Puskas)也认同张传禧的说法。尤迪特·普斯卡什是阿克伦大学一名化学工程教授,最近她刚获得了查尔斯固特异奖(由美国化学学会颁发的橡胶工业领域最高奖项,始于1941年)。她提出橡胶的三个特性组成了一个“魔术三角”——滚动阻力(控制橡胶滑动的能力),附着摩擦力(橡胶黏性)和耐久性。橡胶的这三个性质中,任意一个发生改变都会对另外两个产生影响。橡胶制品都要根据用途找到这个三个特性之间的平衡点,不管是制造篮球鞋外底、汽车轮胎还是其他橡胶部件。

▲ 滚动阻力、抓地力和耐久性构成橡胶的“魔术三角”

尤迪特·普斯卡什说:“橡胶鞋底既要让你的运动停止,又要保证你能随时开始移动,这是一对完全相反的需求。你希望橡胶有足够的附着力使你停下来,但又不希望附着力过强让你无法移动。”

所以,篮球鞋的吱吱声到底是怎么回事儿?

球员急停或横切时脚下吱吱的声音意味着球鞋的附着力和滑动性达到了平衡,但这并没有解释这种声音是怎么产生的。

波士顿大学机械工程学副教授格雷格·麦克丹尼尔(Greg McDaniel)管理着一所振动试验室。他认为,制造声音的根本方法是压缩空气。

“如果你只是在空气中挥舞手臂,你不会听见任何声响,”他说。“为什么?因为你没有让空气压缩。空气像四处流动的水一样,在你挥舞的手臂挤压它之前,它有足够的时间流走。”

但在篮球鞋鞋底各种纹路构成的微小空隙中,空气很容易被压缩。

“被压缩的空气对其周围未被压缩的空气产生吸引使其拉张,而拉张的空气又对其周围空气产生压迫,如此便形成了一连串压缩—拉张、压缩—拉张的空气波动,这就是声波,”格雷格·麦克丹尼尔说。“当橡胶鞋底与地板摩擦发生粘滑运动,鞋底微小空隙中的空气由于橡胶纹路的变形而被压缩,并且空气被压缩的频率等于橡胶在粘滑运动过程中震动的频率。”

马丁·肖腾对两双鞋底带有人字形花纹的篮球鞋进行了测试,发现它们在地板上摩擦发出的声音音频高达5000到6000赫兹,这已经接近人类听觉的上限。而且,硬木地板不光是橡胶鞋底摩擦发声的绝佳接触面,还对声音有放大作用,让吱吱声传到整座球馆。

私人订制篮球鞋的声音?

篮球鞋的鞋底会发出声响,这成了人们对篮球鞋根深蒂固的认知。耐克围绕篮球鞋创造了一座商业帝国,但他们也曾尝试设计出异常安静的篮球鞋。

“篮球鞋的声音取决于鞋底纹路的几何形状,”张传禧说。“鞋底的人字形纹路越多,球鞋就越容易发出声响;鞋底的点状、块状纹路越多,球鞋就越安静。”

去年NBA总决赛期间,克利夫兰骑士队当家球星勒布朗·詹姆斯换上了他的新球鞋——当时耐克为他全新设计的球鞋“战士10代”。这双球鞋就被设计成几乎不发出任何摩擦声响,鞋底主要由方形格子和凸起点状组成。

▲ 耐克为勒布朗·詹姆斯推出的“战士10代”篮球鞋

这双特立独行的球鞋引发了杜克“龙虾”生物学家西拉·帕特克的奇思妙想:篮球鞋的吱吱声能不能个性化订制,让每个球员的球鞋拥有自己独有的声线?

格雷格·麦克丹尼尔不太看好这个点子。他认为,球鞋摩擦的声响也许可以被订制(而且现在各种款式的球鞋发出的声音本来就不同,当然这并非被有意订制),但这些声音的频率范围过于狭窄,大多数人听不出其中的不同。

最后……

球迷们应该对篮球场上球鞋的声响心怀敬畏。无论篮球这项运动如何进化,球鞋在硬木地板摩擦的声音从篮球比赛诞生的那天起就没变过,一直延续到今天。


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