籃球鞋吱吱作響的秘密

熟悉的吱吱聲

在籃球場(chǎng)，我們除了聽見籃球砸向地面的聲響，耳邊還常充斥著運(yùn)動(dòng)員的鞋子在拋光球場(chǎng)上發(fā)出的尖銳吱吱聲。這些熟悉的聲音源自鞋與地面發(fā)生的快速而微妙的動(dòng)態(tài)過程，而這些過程肉眼不可見。

不只是鞋子在堅(jiān)硬表面上滑動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出吱吱聲。在日常生活中，當(dāng)軟、硬表面相互接觸時(shí)，如自行車剎車、橡膠輪胎摩擦地面，都會(huì)發(fā)出刺耳的吱吱聲聲。這種聲音為什么會(huì)出現(xiàn)？

現(xiàn)在，在發(fā)表在《自然》的一項(xiàng)研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)使用高速光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)研究了軟固體在剛性基底上快速滑動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)，這種吱吱聲源自一種此前未被觀察到的機(jī)制。

粘-滑摩擦

當(dāng)一個(gè)軟固體（如橡膠）在一塊剛性基底（如玻璃）上滑動(dòng)時(shí)，常常會(huì)發(fā)出的響亮吱吱聲。長(zhǎng)期以來，這類聲音通常被歸因于一種被稱為粘-滑摩擦的運(yùn)動(dòng)，即兩表面在相互粘附與突然跳躍之間交替的過程。

然而，這一圖景卻無法解釋一些關(guān)鍵觀察：為何吱吱聲通常只在較高滑動(dòng)速度下出現(xiàn)？為何細(xì)微的表面特征就能顯著增強(qiáng)或抑制它？更令人困惑的是，這種聲音還有明確的、來源不清的音高。

過去，受地震動(dòng)力學(xué)研究的啟發(fā)，研究人員開始用數(shù)值與理論方法研究：當(dāng)兩種材料的接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的快速滑移脈沖。在將接觸面簡(jiǎn)化為一維模型后，有人提出：材料的不匹配會(huì)使滑移以脈沖形式傳播，其傳播速度接近較軟材料的剪切波速。

軟固體在剛性基底上滑動(dòng)，代表了雙材料界面的一種極限情況。對(duì)于這類系統(tǒng)，對(duì)一維界面進(jìn)行的數(shù)值模擬進(jìn)一步預(yù)測(cè)：傳播速度處在特定聲速范圍內(nèi)的滑移脈沖，可以演化為“開口脈沖”（opening pulses）——一種快速、空間局域化的波，會(huì)沿著界面掃過，并在掃過時(shí)讓接觸面在局部短暫張開，造成完全的局部分離，從而使滑移以局部化方式發(fā)生。這種行為在后續(xù)的一些初步實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。

二維界面的驗(yàn)證

在新的研究中，研究人員通過實(shí)驗(yàn)，研究了發(fā)生在軟固體-剛性固體二維界面上的動(dòng)態(tài)過程是如何產(chǎn)生吱吱聲的。他們首先讓一雙市售籃球鞋以1米/秒的滑動(dòng)速度在一塊光滑且干燥的玻璃板上滑過，并對(duì)接觸情況進(jìn)行高速光學(xué)成像與同步的音頻測(cè)量。

具體來說，他們利用的是全內(nèi)反射來可視化鞋底與玻璃板之間的摩擦界面。在實(shí)驗(yàn)過程中，他們以一定角度將光注入玻璃，使光被困在玻璃板內(nèi)部（這種現(xiàn)象就是全內(nèi)反射）。但當(dāng)鞋與玻璃板發(fā)生接觸，光就可以從接觸處逸出。換言之，生成的圖像只有在接觸點(diǎn)處才出現(xiàn)明亮像素，進(jìn)而使研究人員能用高速光學(xué)成像設(shè)備對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行可視化。

滑動(dòng)籃球鞋時(shí)的摩擦界面可視化。（圖/Djellouli et al. / Nature）

圖像顯示，隨著籃球鞋向前滑動(dòng)，鞋與地面之間界面處的摩擦?xí)谙鹉z中產(chǎn)生開口脈沖，它會(huì)導(dǎo)致鞋與地面之間出現(xiàn)非均勻滑動(dòng)。這些脈沖是以簇發(fā)的方式成組產(chǎn)生的，并會(huì)在鞋底下表面?zhèn)鞑ィ查g將鞋底抬離地面，使鞋得以前進(jìn)。

此外，研究人員還觀察到，這些吱吱聲并非如傳統(tǒng)觀點(diǎn)所認(rèn)為的那樣，是由隨機(jī)的粘-滑事件產(chǎn)生。相反，吱吱聲的音高是由這些脈沖的重復(fù)率所決定，而這一重復(fù)率則是由鞋底的剛度與厚度決定的。

而且，另一個(gè)令人意外的發(fā)現(xiàn)是：圖像還揭示了伴隨吱吱聲出現(xiàn)的短暫閃光——放電。這意味著，這種摩擦還伴隨著電荷分離以及強(qiáng)電場(chǎng)的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，在某些情況下，這些滑移脈沖是由摩擦起電放電觸發(fā)的。

從簡(jiǎn)單的滑動(dòng)看見復(fù)雜

這些結(jié)果挑戰(zhàn)了“摩擦可以被簡(jiǎn)化的一維模型完全刻畫”這一假設(shè)，并凸顯了界面維度所起的關(guān)鍵作用。它不僅解釋了一種熟悉的聲音，也揭示了看似簡(jiǎn)單的滑動(dòng)行為中能夠隱藏多么豐富的復(fù)雜性。

如果這些過程最終能夠被理解并加以控制，它們可能為有意調(diào)控摩擦行為提供途徑：要么增強(qiáng)抓地力或能量采集等理想效應(yīng)，要么抑制不需要的噪聲、磨損與不穩(wěn)定性。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10132-3

https://seas.harvard.edu/news/physics-squeak

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00295-4

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00620-x

#圖片來源：

封面圖&首圖：jeffjuit / Pixabay