篮球鞋吱吱作响的秘密

熟悉的吱吱声

在篮球场，我们除了听见篮球砸向地面的声响，耳边还常充斥着运动员的鞋子在抛光球场上发出的尖锐吱吱声。这些熟悉的声音源自鞋与地面发生的快速而微妙的动态过程，而这些过程肉眼不可见。

不只是鞋子在坚硬表面上滑动时会发出吱吱声。在日常生活中，当软、硬表面相互接触时，如自行车刹车、橡胶轮胎摩擦地面，都会发出刺耳的吱吱声声。这种声音为什么会出现？

现在，在发表在《自然》的一项研究中，一个国际研究团队使用高速光学成像实验研究了软固体在刚性基底上快速滑动时的动力学。他们发现，这种吱吱声源自一种此前未被观察到的机制。

粘-滑摩擦

当一个软固体（如橡胶）在一块刚性基底（如玻璃）上滑动时，常常会发出的响亮吱吱声。长期以来，这类声音通常被归因于一种被称为粘-滑摩擦的运动，即两表面在相互粘附与突然跳跃之间交替的过程。

然而，这一图景却无法解释一些关键观察：为何吱吱声通常只在较高滑动速度下出现？为何细微的表面特征就能显著增强或抑制它？更令人困惑的是，这种声音还有明确的、来源不清的音高。

过去，受地震动力学研究的启发，研究人员开始用数值与理论方法研究：当两种材料的接触面发生相对滑动时产生的快速滑移脉冲。在将接触面简化为一维模型后，有人提出：材料的不匹配会使滑移以脉冲形式传播，其传播速度接近较软材料的剪切波速。

软固体在刚性基底上滑动，代表了双材料界面的一种极限情况。对于这类系统，对一维界面进行的数值模拟进一步预测：传播速度处在特定声速范围内的滑移脉冲，可以演化为“开口脉冲”（opening pulses）——一种快速、空间局域化的波，会沿着界面扫过，并在扫过时让接触面在局部短暂张开，造成完全的局部分离，从而使滑移以局部化方式发生。这种行为在后续的一些初步实验中得到了证实。

二维界面的验证

在新的研究中，研究人员通过实验，研究了发生在软固体-刚性固体二维界面上的动态过程是如何产生吱吱声的。他们首先让一双市售篮球鞋以1米/秒的滑动速度在一块光滑且干燥的玻璃板上滑过，并对接触情况进行高速光学成像与同步的音频测量。

具体来说，他们利用的是全内反射来可视化鞋底与玻璃板之间的摩擦界面。在实验过程中，他们以一定角度将光注入玻璃，使光被困在玻璃板内部（这种现象就是全内反射）。但当鞋与玻璃板发生接触，光就可以从接触处逸出。换言之，生成的图像只有在接触点处才出现明亮像素，进而使研究人员能用高速光学成像设备对接触区域进行可视化。

滑动篮球鞋时的摩擦界面可视化。（图/Djellouli et al. / Nature）

图像显示，随着篮球鞋向前滑动，鞋与地面之间界面处的摩擦会在橡胶中产生开口脉冲，它会导致鞋与地面之间出现非均匀滑动。这些脉冲是以簇发的方式成组产生的，并会在鞋底下表面传播，瞬间将鞋底抬离地面，使鞋得以前进。

此外，研究人员还观察到，这些吱吱声并非如传统观点所认为的那样，是由随机的粘-滑事件产生。相反，吱吱声的音高是由这些脉冲的重复率所决定，而这一重复率则是由鞋底的刚度与厚度决定的。

而且，另一个令人意外的发现是：图像还揭示了伴随吱吱声出现的短暂闪光——放电。这意味着，这种摩擦还伴随着电荷分离以及强电场的产生。实验表明，在某些情况下，这些滑移脉冲是由摩擦起电放电触发的。

从简单的滑动看见复杂

这些结果挑战了“摩擦可以被简化的一维模型完全刻画”这一假设，并凸显了界面维度所起的关键作用。它不仅解释了一种熟悉的声音，也揭示了看似简单的滑动行为中能够隐藏多么丰富的复杂性。

如果这些过程最终能够被理解并加以控制，它们可能为有意调控摩擦行为提供途径：要么增强抓地力或能量采集等理想效应，要么抑制不需要的噪声、磨损与不稳定性。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：jeffjuit / Pixabay