都2026了，球鞋刮擦地板咋還吱吱作響……

導讀

球鞋摩擦地板的吱吱聲可謂籃球賽事自帶的背景音。

實際上，這種摩擦異響也廣泛出現于各類機械系統。比如，在髖關節、膝關節置換假體里，當高分子聚合物內襯與金屬/陶瓷股骨頭相互滑動時，就會產生令人不快的吱吱聲；又如，雨天自行車緊急剎車也可發出類似聲響。

長期以來，學界對這類異響機制知之甚少。當一對彈性不同的材料，比如硬地板與橡膠鞋底，彼此緊緊黏著、卻又因外力而要滑動摩擦，這對材料的接觸表面，或者更準確地說，摩擦界面究竟以何種微觀過程產生了相對滑移以及伴隨滑移的吱吱聲？界面上的這種滑移是否穩定，其穩定性由哪些因素決定？可否找到方法來消除摩擦噪音？

2026年2月，有科學家于《自然》（Nature）雜志發表題為“軟-硬摩擦界面處的吱吱聲”(Squeaking at soft–rigid frictional interfaces)的論文，介紹了他們關于此類摩擦異響原理的關鍵發現。近期，團隊成員之一、諾丁漢大學學者加布里埃萊·阿爾貝蒂尼(Gabriele Albertini)撰寫科普文章，深入淺出地回顧了這項看似簡單的研究工作。

兩種材料相互滑動產生的聲響，一般由“黏-滑”情境造成：接觸面瞬間黏附在一起，系統持續積蓄彈性勢能；直到平衡被打破，隨后接觸面發生滑動，儲存的能量瞬間釋放。

從動力學角度看，若材料滑移時的摩擦力隨滑動速度提高而減小，就會引發自激振蕩(slip velocity)——因為速度變快，所以摩擦力小了，因為摩擦小了，滑動速度就更快了……絕大多數地震的發生，也都遵循這套黏-滑作用機制。

然而，上述理論選擇將一對材料的接觸表面視作整體，或者說“點接觸”模型，無法全面描述“擴展摩擦界面”(extended frictional interfaces)的復雜動力學行為。

在擴展摩擦界面上，滑移并非點接觸模型那般整體同步地發生，而是以如同裂紋般的滑移前沿(slip front)和滑移脈沖(slip pulse)形式傳播。若滑動雙方分別是剛性表面與軟性固體，例如球場地板和籃球鞋底，局部滑移(localized slip，接觸界面上某些局部區域的滑移)現象會尤為明顯。

通過實驗尋找球鞋異響的成因

為搞清楚吱吱聲來源，我們將籃球鞋底置于剛性平板上開展了滑動實驗。

團隊選用一塊透明亞克力板，并在板材側邊加裝LED光源，以求直接觀測摩擦界面的接觸狀態。光線的入射角足夠大，因此能發生全反射并被限定在板內部傳播；當橡膠材質的球鞋鞋底與板表面接觸時，光線會透射至橡膠，板上的接觸區呈現亮斑。

一臺每秒10萬幀的高速相機，能記錄下/可視化接觸面在空間和時間上的演變，另有麥克風負責測量摩擦期間的聲響。

我們觀測發現，鞋底與板面間的相對滑動，并非沿著界面整體同步地發生；在界面的某些局部區域，雙方的接觸會瞬間分離，而這塊局部周圍的界面卻仍處于高壓黏著狀態。此類分離區域被稱作張開型滑移脈沖(opening slip pulses，一種特殊的局部滑移形式)，其沿界面傳播的速度甚至超過橡膠自身的剪切波速。

它們會以0.2毫秒的固定時間間隔產生，頻率約為5千赫茲。這些張開型滑移脈沖出現的瞬間，麥克風同步采集到相同頻率的吱吱聲。脈沖生成頻率與異響頻率的一致性，有力證實了張開型滑移脈沖與球鞋吱吱聲間的因果關系。下圖展示了一例張開型滑移脈沖。

亞克力板與籃球鞋底間摩擦界面的瞬時成像：鞋底以滑動速度Vslide向右滑動，一道張開型滑移脈沖則以80米/秒的速度Cpulse自左向右傳播，脈沖傳播速度遠高于鞋底滑動速度，且二者彼此獨立

滑移脈沖的萌生與傳播

理論分析與數值模擬表明，當兩種彈性性質不同的固體沿界面發生均勻滑動時，這種滑動是容易失穩的，尤其在摩擦系數較高的情況下。不穩定性源于多重因素共同作用。

一方面，由于材料彈性互不匹配，一方易變形，另一方不易變形，故局部區域的滑移會導致壓力變化——原本被壓緊的鞋底橡膠因滑移而勢能釋放、壓力驟降。另一方面，摩擦強度與接觸壓力相互耦合，局部的壓力波動會直接引起滑移的波動——滑移量在空間和時間上呈現不均勻、起伏變化的動態狀態

滑移與壓力的雙向因果關系，可以持續放大微小擾動，致使原本近似均勻滑動的亞穩定狀態轉變為：大部分界面保持黏著，脈沖形式的局部滑移以聲速傳播。

激發局部滑移脈沖萌生的壓力波動，可能來自系統的宏觀振動，也可能源于材料表面的靜電放電(前提是界面壓力極高)。

為深入理解那些主導滑移脈沖動力學的因素，我們利用3D打印模具澆筑橡膠塊試樣。試樣表面分為兩種類型，一類光滑平整，另一類帶有類似籃球鞋底的凸棱紋路。無論平整與否，橡膠塊滑動時總有張開型滑移脈沖出現，不過脈沖的形態和周期性存在巨大差異。

平整表面的滑移脈沖可沿多個方向傳播，還會發生傾斜、合并、分離，呈現復雜混沌的動力學行為，產生寬頻譜的刮擦聲。

與之相對的，在仿球鞋底的表面上，脈沖被限制于單條凸棱紋路內，每條凸棱都相當于一條波導通道，隔絕脈沖之間復雜的相互作用，將無序的動力學行為規整化。因此凸棱表面能以恒定頻率生成脈沖，發出清脆的吱吱聲。

原來材料表面幾何結構的細微改動，就能如此深刻地影響滑移脈沖的傳播規律。這著實令人驚訝，我們原本預期，多條相鄰凸棱會相互耦合，整體等效為連續二維平面，可事實并非如此。于是團隊進一步探索原理，制備了僅有單條凸棱的橡膠表面，并逐步增加凸棱寬度。

結果表明，當凸棱寬度較小時，脈沖被約束于棱內，界面近似一維結構，滑移動力學行為有序；當凸棱寬度達到典型脈沖寬度的4倍及以上時，接觸面等效為二維平面，動力學行為轉為混沌無序。

精準控制吱吱聲的音調并以此奏樂

帶凸棱紋路的橡膠表面而言，只要幾何形狀給定，其摩擦異響(也就是吱吱聲)的頻率穩定性極高，幾乎不受接觸壓力或滑動速度變化的影響。

但反過來，若變量是幾何形狀——更準確來說，是橡膠塊高度，即從接觸面到橡膠塊頂部的距離，吱吱聲頻率將對該變量十分敏感。二者呈反比關系：橡膠塊越高(可以理解為越厚)，頻率越低。

基于此規律，我們定制了一批精確控制高度的橡膠試樣，每一塊都能發出固定音高；利用這些橡膠塊，我們甚至摩擦出了經典樂曲。

通過調整橡膠塊高度，研究人員能精準控制橡膠塊與亞克力板摩擦時產生的聲響頻率——進而演奏樂曲，比如上方視頻所示的《星球大戰》電影配樂《帝國進行曲》[The Imperial March (Darth Vader’s Theme)]。

前文提到，我們發現在鞋底與板面間，會產生頻率為5千赫茲的張開型滑移脈沖。這也引發了另一個問題：為什么滑移脈沖會在特定頻率下被激發？

后續觀測顯示，橡膠塊后緣(滑移方向上的后端)會持續發生振幅不斷增大的振蕩；每一次振蕩都會短暫抬起后緣的接觸面，為新脈沖萌生創造適宜條件，這些脈沖的頻率會被鎖定在系統的一階剪切固有頻率。

如果彈簧被先拉伸、后松手，它會以自己的固有振動節奏往復伸縮，同樣地，橡膠塊也有自己的振動節奏，這種節奏就是一階剪切固有頻率。

我們的研究成果有兩大應用前景。其一在于設計通過摩擦發聲的新型樂器；其二則是推動無噪音運動鞋革新。消除球鞋吱吱聲的技術思路有兩條：

1. 利用混沌滑移狀態，使脈沖失去同步性，由此，摩擦將無法產生尖銳的吱吱聲，取而代之的是細碎的“噓”(shhh)聲，也就是前文介紹的“寬頻譜的刮擦聲”。

2. 設計一種特殊系統，讓滑移脈沖僅在極高滑動速度或壓力下才會生成，日常使用條件無法觸發異響。

資料來源：

文章轉載自“世界科學”公眾號