生活情境劇
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早晨醒來，你發現今天天氣似乎不錯，陽光普照裏吹著清涼的微風，真是個出門的好日子。於是，在梳洗完畢後，你準備穿上那雙最近剛買的休閒款球鞋，帶它出去見見世面。終於綁好了鞋帶，跨出家門後，你突然想到另一半的生日要到了，於是決定先去百貨公司一趟，挑選要給對方的禮物。走進新光三越一樓，各種化妝品、香水交雜的氣味刺鼻，讓你直覺似的向手扶梯飛奔，只想盡快離開這層樓。正準備搭上手扶梯時，咦，鞋帶居然掉了！為了避免危險，你只好禮讓其他人先上，自己則到一旁去把鞋帶綁好。
採買完禮物後，你正餓著肚子思考午餐要吃甚麼時，你的好朋友剛好打來約你一起去吃飯後再一起去打球。吃飽飯休息一會後，你們來到球場，很高興地發現居然還有一個場地是空的。於是，你向朋友下馬威說，今天一定要讓他輸到叫你師父。他找到了一個小空檔—跳躍、投籃—準備來個三分球消減一下你的銳氣，想不到居然還是被你蓋了個火鍋。你拿回控球權，一個快速轉身過人，準備要上籃了！「終於啊」，你心想，「我贏定了」，結果就在這個時候，你一不小心踩到了什麼，撲！整個人摔了出去。接著，你聽到了籃球擦板唰的一聲，竟然搶先被你朋友得分了，你傻住了。「到底是誰絆倒我的？」你氣呼呼地抬頭一看，原來是鞋帶惹的禍，它竟然又在這麼關鍵的時候鬆脫了！你不禁納悶，到底為甚麼你綁的鞋帶很容易就鬆開了呢？又要怎麼綁，才能讓它牢固地陪你度過一天？
雖然情境劇只是個假想出來的情況，但是相信劇中人物一直掉鞋帶的經驗人人都有，很可能我們有些人還為此而不再穿有鞋帶的鞋子。不過，這樣似乎有些可惜，畢竟有許多很出色、耐穿的鞋子都附有鞋帶。所以，今天就讓我們一起來探討鞋帶鬆脫背後的科學原理，以及如何改善鞋帶綁了又掉的煩惱，再給鞋帶一次機會吧！
2017年時，美國加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）的一位機械工程教授（Christopher A. Daily-Diamond）和其兩位研究生(Christine E. Gregg & Oliver M. O’Reilly）共同發表了一篇期刊，用他們的實證精神向大家說明鞋帶鬆脫的幾個關鍵因素。其中的原因包括了鞋帶繩結的綁法、腳部是否達到完整運動、鞋帶頭的重量係數等（Daily-Diamond, Gregg, & O’Reilly, 2017）。
起先，作為前導測驗，他們找來了一位女性受測對象，請她以兩種不同但常見的鞋帶綁法穿上不同類型的鞋款（如慢跑鞋、登山鞋、休閒型運動鞋、裸足運動鞋）來接受測試。這兩種綁法分別為假平結，又為俗稱的笨結亦或祖母結（granny knot），以及平結（square knot）（Daily-Diamond et al., 2017）。它們的差別在於，笨結的第一個小結和最後成型的蝴蝶結打法在順序上都一樣（皆為左鞋帶在上或右鞋帶在上），而平結則是第一小結與第二完結的順序交替（一個左鞋帶在上，一個右鞋帶在上）。
為了能夠準確測量鞋帶在行進間的擺動方式和幅度，這三位研究者將一顆微小的無線加速型信號感測轉換器（LORD Microstrain wireless accelerometer）掛在鞋帶打結處的下方，透過這個無線裝置將監測到的震動行為利用電壓信號的方式傳輸到遠端的資料接收器中儲存起來。測試開始時，這位女性跑者會聽到旁邊的節拍器依照一定的速度計拍，而她則要跟著節奏在跑步機上行走和跑動（Daily-Diamond et al., 2017）。在下面的影片中，我們可以發現鞋帶大約在第二次雙腳交替時，就開始有鬆脫的跡象。
Makasdijian, R. & McNally, S. [UC Berkeley]. (2017). Why do your shoelaces come untied? [Youtube]. Retrieved from https://youtu.be/_-aiynIphTw
根據試測報告，鞋子的類型並不影響發生鞋帶鬆脫的機率，也就是說，不管穿甚麼類型的鞋子，只要綁錯了結，鞋帶都一樣容易鬆脫。此外，平結確實相較於祖母結來說，更緊實、持久、不易鬆脫（Daily-Diamond et al., 2017）。接著，研究團隊為了能更深入探討究竟我們在行進間，鞋帶結產生了什麼樣的變化，導致它很容易鬆脫，他們於是來到工程實驗室中，將鞋帶打結後放上自製的機械裝置（如影片所示）。
Daily-Diamond, C. A., Gregg, C. E., & O’Reilly, O. M. (2017). Supplemental video 2 from “The roles of impact and inertia in the failure of a shoelace knot” [figshare]. Retrieved from https:// shorturl.at/eLX49
透過機械鐘擺的前後擺盪，研究人員精準地複製一般人體在走路、跑步時會有的鞋帶擺動方式。不僅如此，他們還刻意變換鞋帶打結後繩頭的重量，以1至3公克的差別進行測試。最後實驗結果發現，排除其他外力因素後（如鞋帶沒綁緊），鞋帶鬆脫的速度和鞋帶打結後繩頭的重量呈現正相關，也就是一旦鞋帶的前端重量比繩結來的笨重，鞋帶就越容易鬆脫（Daily-Diamond et al., 2017, p.10）。
順帶一提一個有趣的發現：並非只要前後擺動鞋子，像是坐在椅子上晃腳，就能讓鞋帶鬆脫。根據Christopher A. Daily-Diamond一群人的說法，我們走動時鞋帶會配合著地、抬腳等各環節，產生繩結間的慣性摩擦，進而形成一個缺一不可的「鞋帶鬆脫術」（Daily-Diamond et al., 2017, p.2）。
看完Daily-Diamond等人(2017)的研究後，是不是更覺得凡事皆有因了呢？也很感謝這群看似有點無聊的科學家們，將日常生活中的困擾訴諸實驗，讓我們知道如何避免綁出一個一直鬆脫的鞋帶。準備出門的你，快點把腳上的祖母結換掉，為鞋子打上平結後再出門吧！
參考資料：
- Daily-Diamond, C. A., Gregg, C. E., & O’Reilly, O. M. (2017). The roles of impact and inertia in the failure of a shoelace knot. Proceedings of Royal Society, 473, 1-16. doi: 10.1098/rspa.2016.0770
Daily-Diamond, C. A., Gregg, C. E., & O’Reilly, O. M. (2017). Supplemental video 2 from The roles of impact and inertia in the failure of a shoelace knot [figshare]. Retrieved from https:// shorturl.at/eLX49
- Makasdijian, R. & McNally, S. [UC Berkeley]. (2017). Why do your shoelaces come untied? [Youtube]. Retrieved from https://youtu.be/_-aiynIphTw