打结，没那么简单

江东雪/

我們在生活中常常见到各式各样的绳结，绑鞋带、织毛衣、打绷带、安全绳等，绳结在各个地方发挥着重要的作用。但是，绳结是怎么发挥作用的呢，为何绑了结的绳子比未绑结的强度更大？让科学家用实验来告诉你答案。

科学家教你打结

只是打了个结，绳子为什么会发生这么大的变化，科学家对此也很好奇，他们还想知道，如何打结才能让这种力量发挥最大化？为了解答这些疑问，美国麻省理工学院的数学家约恩·邓克尔和同事用可变色的纤维打了各种绳结，根据其不同部位在受到变化的应力和压力时所呈现出的颜色差异，来研究不同的绳结哪个更牢固及其原因。

在研究中，他们先将变色纤维编织成各种各样的扭结，比如三叶结、八字结等，然后拍下每一根纤维的图像，记录下纤维颜色的改变揭示的力的变化，由此总结出一系列公式，用于计算每一个结点被弯曲或变形时所受到的力。随后，科学家们用这个公式预测了新的绳结在受到不同大小的力时会呈现出的颜色，实际结果与预测结果一致，这表明了公式的准确性。

接下来，科学家就可以真正研究打结的秘诀了。正如日常经验告诉我们的那样，在同一个位置打的结越多，这个结就会越牢固，实验发现了相同的结论：与只有6个结点的平结相比，登山者常用的阿尔卑斯蝴蝶结相交点的个数是12，其牢固程度远高于平结。之所以会这样，科学家也给出了科学的解释，当我们拉紧绳子时，结点处的绳子会发生相互摩擦，而处于中间的绳子会受到两侧绳子的同一方向的作用力以至于发生旋转，这种旋转作用使绳子打滑，稳固性较差。但在多结点的绳子中，绳子受到的作用力相互抵消，使其不易旋转和打滑，具有更好的安全性。

同样的原因也体现在相同结点数但复杂程度不一致的绳结中，比如与平结十分类似的“祖母结”。祖母结的打结方法与平结相同，都是将两端线头缠绕两次，不同的是，在第二次缠绕时，平结会交换一次线头的方向，将原本在下的线头移到上方，而祖母结则维持原样。这一点小改变对绳结的影响是巨大的，根据计算结果，祖母结的稳固程度远不及平结。

这是因为，平结的结点区域产生的摩擦力方向是相反的，可以相互抵消而不发生旋转。而祖母结虽然也有相同数量的结点，但因为绳子的方向不变，彼此平行，会产生相同方向的作用力，使交点处的绳子发生旋转，这种情况下的绳易于发生旋转打滑。将平结误打成祖母结是许多攀岩新手常犯的错误，甚至可能引发危险，因此祖母结也被戏称为“外行平结”。

两根平行的紧密接触的绳子，相对于同向拉扯，反向拉扯时的摩擦力会更大，它们形成的结也会更加稳固，这个原理适用于用多根绳索打出的绳结。比如我们分别用两根绳索绑出两个一模一样的平结，在将它们拉紧时，第一个平结拉扯同一水平线的两根绳索，第二个平结拉扯交叉的两根绳索，这样绑出的两个平结其牢固程度也大不相同，前者远高于后者。第一种拉紧方法不仅能赋予中间部分的绳段相反的拉扯方向，而且上下4对绳段处拉扯方向也是相反的;而后者则只有中间绳段拉扯方向相反，上下4对绳段的拉扯方向却是相同的，因此紧固程度不如前者。

运用上述结论，利用交点更多、受力相抵和反向拉扯等方法，科学家们打出了一个比阿尔卑斯蝴蝶结更紧固的绳结，他们称之为齐柏林结。在进行登山、攀岩或高空作业等危险活动时，齐柏林结能为人们提供更大的安全保障。

自然结奥秘更多

如果你认为，科学家们研究打结只是为了教人们打出更牢固的结，那你就错了。事实上，打结并不是人类的专利，在自然界中，天然形成的绳结一点也不少，科学家更想要弄清楚其中的奥秘。

我们已经知道，DNA是一种双螺旋结构，在生物的一生中，DNA会发生无数次的解旋和重组，这实质就是一次次解结和打结的过程。

生物为何选择这种打结方式，又是如何保证每个“绳结”都一模一样的？揭开这一谜底对我们理解生物的诞生和演化大有裨益。此外，与DNA相比，蛋白质的“打结”技术更加高超，每一种蛋白质都有其专属的打结模式，一旦发生错误，其功能就会受到影响。生物学家同样需要理解蛋白质的打结法，以治愈各种因蛋白质错误合成而导致的疾病。

物理学家也很喜欢自然界中的结，比如会打结的旋涡。旋涡会在液体、气体和等离子体中形成，包括水体、天空气流乃至河外星系等宇宙各处都有其身影，这些旋涡并不是平直的结构，而是会像鞋带一样扭曲打结，100多年前就有物理学家提出了这一理论，但直到近些年，科学家才观察到这种现象。

2016年，美国马里兰大学的物理学家发现高能激光在行进中能自行扭曲形成烟圈状旋涡，这种结构在所有激光中普遍存在，并且很容易人工制造。“光旋涡”在光圈内流动，再沿着外圈返回，它在前行过程中能控制能量不从周围流失，如果能运用好这种结构，可以设计清晰度更高的光学显微镜、增加光纤通讯线路的带宽等。

现在，科学家已经可以在液体中制造打结的旋涡了。他们用三维打印机在流体中制造了一种扭曲绞转的水翼，当加速到一定转速时，它在液体中推出形如水翼自身的旋涡。在水中形成的气泡向旋涡中心移动，研究人员能清楚地观察旋涡的核心，并借助高速摄像头记录下来。镜头记录下了涡流拉长、绕圈、相碰，改变排列状态抑或自行解开而消失的一系列过程，这有助于科学家们了解可能存在于中子星的内核和恒星的等离子体中的打结旋涡的状态和变化过程。

看似简单的绳结，不仅能帮助人类解决许多问题，还隐藏着许多秘密，等待着人类去探索。