打結，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，綁鞋帶、織毛衣、打繃帶、安全繩等，繩結在各個地方發揮著重要的作用。但是，繩結是怎么發揮作用的呢，為何綁了結的繩子比未綁結的強度更大？讓科學家用實驗來告訴你答案。

科學家教你打結

只是打了個結，繩子為什么會發生這么大的變化，科學家對此也很好奇，他們還想知道，如何打結才能讓這種力量發揮最大化？為了解答這些疑問，美國麻省理工學院的數學家約恩·鄧克爾和同事用可變色的纖維打了各種繩結，根據其不同部位在受到變化的應力和壓力時所呈現出的顏色差異，來研究不同的繩結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，比如三葉結、八字結等，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，由此總結出一系列公式，用于計算每一個結點被彎曲或變形時所受到的力。隨后，科學家們用這個公式預測了新的繩結在受到不同大小的力時會呈現出的顏色，實際結果與預測結果一致，這表明了公式的準確性。

接下來，科學家就可以真正研究打結的秘訣了。正如日常經驗告訴我們的那樣，在同一個位置打的結越多，這個結就會越牢固，實驗發現了相同的結論：與只有6個結點的平結相比，登山者常用的阿爾卑斯蝴蝶結相交點的個數是12，其牢固程度遠高于平結。之所以會這樣，科學家也給出了科學的解釋，當我們拉緊繩子時，結點處的繩子會發生相互摩擦，而處于中間的繩子會受到兩側繩子的同一方向的作用力以至于發生旋轉，這種旋轉作用使繩子打滑，穩固性較差。但在多結點的繩子中，繩子受到的作用力相互抵消，使其不易旋轉和打滑，具有更好的安全性。

同樣的原因也體現在相同結點數但復雜程度不一致的繩結中，比如與平結十分類似的“祖母結”。祖母結的打結方法與平結相同，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，而祖母結則維持原樣。這一點小改變對繩結的影響是巨大的，根據計算結果，祖母結的穩固程度遠不及平結。

這是因為，平結的結點區域產生的摩擦力方向是相反的，可以相互抵消而不發生旋轉。而祖母結雖然也有相同數量的結點，但因為繩子的方向不變，彼此平行，會產生相同方向的作用力，使交點處的繩子發生旋轉，這種情況下的繩易于發生旋轉打滑。將平結誤打成祖母結是許多攀巖新手常犯的錯誤，甚至可能引發危險，因此祖母結也被戲稱為“外行平結”。

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，它們形成的結也會更加穩固，這個原理適用于用多根繩索打出的繩結。比如我們分別用兩根繩索綁出兩個一模一樣的平結，在將它們拉緊時，第一個平結拉扯同一水平線的兩根繩索，第二個平結拉扯交叉的兩根繩索，這樣綁出的兩個平結其牢固程度也大不相同，前者遠高于后者。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。

運用上述結論，利用交點更多、受力相抵和反向拉扯等方法，科學家們打出了一個比阿爾卑斯蝴蝶結更緊固的繩結，他們稱之為齊柏林結。在進行登山、攀巖或高空作業等危險活動時，齊柏林結能為人們提供更大的安全保障。

自然結奧秘更多

如果你認為，科學家們研究打結只是為了教人們打出更牢固的結，那你就錯了。事實上，打結并不是人類的專利，在自然界中，天然形成的繩結一點也不少，科學家更想要弄清楚其中的奧秘。

我們已經知道，DNA是一種雙螺旋結構，在生物的一生中，DNA會發生無數次的解旋和重組，這實質就是一次次解結和打結的過程。

生物為何選擇這種打結方式，又是如何保證每個“繩結”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，蛋白質的“打結”技術更加高超，每一種蛋白質都有其專屬的打結模式，一旦發生錯誤，其功能就會受到影響。生物學家同樣需要理解蛋白質的打結法，以治愈各種因蛋白質錯誤合成而導致的疾病。

物理學家也很喜歡自然界中的結，比如會打結的旋渦。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構，而是會像鞋帶一樣扭曲打結，100多年前就有物理學家提出了這一理論，但直到近些年，科學家才觀察到這種現象。

2016年，美國馬里蘭大學的物理學家發現高能激光在行進中能自行扭曲形成煙圈狀旋渦，這種結構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，如果能運用好這種結構，可以設計清晰度更高的光學顯微鏡、增加光纖通訊線路的帶寬等。

現在，科學家已經可以在液體中制造打結的旋渦了。他們用三維打印機在流體中制造了一種扭曲絞轉的水翼，當加速到一定轉速時，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，改變排列狀態抑或自行解開而消失的一系列過程，這有助于科學家們了解可能存在于中子星的內核和恒星的等離子體中的打結旋渦的狀態和變化過程。

看似簡單的繩結，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。