為什麼籃球鞋在地板上吱吱作響？這與龍蝦、小提琴和地震有關 | 懶熊漲姿勢

你知道嗎？

籃球鞋在地板上摩擦會不會響，與鞋底抓地力強不強沒有必然聯繫；

鞋底花紋的形狀是決定球鞋摩擦聲音的關鍵；

球鞋的抓地力並非越強越好。

今天，咱們聊聊鞋底的科學。

籃球比賽是場喧鬧的大Party。

籃球撞擊地板的悶響，裁判尖利的哨音，教練的咆哮，人群的歡呼……在這之外，還有一種聲音，它不那麼引人注意，但卻是籃球場上不曾停止的背景旋律——球鞋在地板上摩擦的吱吱聲。

我們知道球鞋在地板上發出的聲音是因為摩擦，但為什麼摩擦會發出聲音？今天我們就來聊聊科學。從科學的角度，籃球鞋摩擦發聲這件事，得從龍蝦、小提琴和地震說起。

龍蝦、小提琴和籃球鞋的交集是？

杜克大學的生物學家西拉·帕特克（Sheila Patek）是一位研究龍蝦的專家。幾年前，她發現一種無鰲龍蝦有個罕見的天賦技能。這種龍蝦叫斷溝龍蝦（Panulirus interruptus），為了嚇退天敵，它會用自己觸鬚根部光滑而有彈性的凸起與自己頭部光滑且堅硬的甲殼摩擦，發出巨大的聲響。

▲ 斷溝龍蝦（Panulirus interruptus）。

斷溝龍蝦晃動觸鬚發出怪聲，可以用工程學中的粘滑現象（stick-slip phenomenon）解釋：當兩個相對光滑或平坦的物體表面相接觸，在應力的作用下發生「滑動-粘結-滑動」循環往複的現象就叫粘滑現象，這個過程會產生震動，並往往伴有聲音。

▲ 穩定滑動（Stable sliding）、蠕動（Creeping）和粘滑運動（Stick slip）的累計位移與時間變化曲線。

這就是為什麼有時剎車會異響，老舊的門軸會吱吱呀呀，雨刷在擋風玻璃上刮擦時嘖嘖作響，用手摩擦高腳杯杯口和充滿氣的氣球能發出聲音。這也是為什麼，小提琴手用琴弓在琴弦上輕輕一拉，就能創造出美妙的音樂。

「如果你拉過小提琴，你就明白，你得用琴弓向琴弦施加一點壓力，然後不斷拉動琴弓，製造琴弓和琴弦之間的粘滑現象，每次滑動就產生了聲音。這與斷溝龍蝦發出怪聲是一樣的。」西拉·帕特克說。

不過，在美國的三月中旬，在杜克大學這所傳統籃球強校，有種東西比西拉·帕特克實驗室里的斷溝龍蝦更頻繁地發生粘滑現象製造聲音。

「籃球鞋！」帕特克笑著說。

在NBA職業籃球賽場上，球鞋與地板的摩擦聲幾乎被嘈雜的音樂和興奮的觀眾發出的喧鬧完全掩蓋。（不過，最近戰績糟糕紐約尼克斯倒是頗具實驗精神，在一場主場迎戰金州勇士隊的比賽上半場，尼克斯場館沒有播放任何音樂和娛樂聲效，他們宣稱要讓球迷「享受比賽原本的聲音。」對此，勇士隊主教練史蒂夫·科爾表示，當時的比賽氣氛「很奇怪（weird）」，而勇士隊明星前鋒德拉蒙德·格林甚至直言「這很可悲」。）

但在NCAA瘋狂三月（男籃錦標賽）的前兩輪比賽，每雙球鞋在地板上的聲音都能被清清楚楚地聽見。這要歸功於NCAA的賽程安排和賽場規定。NCAA男籃錦標賽每輪比賽的辦賽地點都由NCAA協會事先指定，不在辦賽城市的大學球隊只能千里迢迢趕來參戰。由於當地觀眾很可能對交戰雙方都不了解，更談不上感情歸屬，所以觀賽的熱情也就沒那麼高漲；而比賽過程中，NCAA規定只有比賽暫停時才能播放樂隊音樂，並且絕大多數比賽中也不會添加任何人工聲效。所以NCAA錦標賽的前幾輪比賽，除了教練偶爾的咆哮，球鞋摩擦的吱吱聲是球場唯一的背景音。

「粘滑運動」、地震和橡膠的「魔術三角」

當我們聽到球鞋摩擦的聲響時，我們究竟聽到了什麼？究竟是什麼製造出了這種尖銳的聲音？很少有人會琢磨這個問題，相關的科學研究也非常少。不過，的確有人對這個問題鑽了牛角尖。在波特蘭俄勒岡，一家服務於運動鞋製造商的生物力學諮詢公司研究了球鞋摩擦發聲的原理，公司創始人叫馬丁·肖騰（Martyn Shorten）。2006年，馬丁·肖騰向美國生物力學協會展示了他的研究成果。

「球鞋外底的人字形花紋使鞋底與地板發生粘滑運動時以其低階固有頻率震動，」馬丁·肖騰和他的研究合作夥伴Xia Xi得到了這樣的結論。

▲ 球鞋外底的人字形花紋。

這樣的震動造成了聲響——短促、響亮而尖銳球鞋摩擦聲。對觀眾來說，這種聲音可能屬於噪音，但對球員來說它卻不可或缺。

「我們（設計者）在測試鞋子的時候不會關注鞋底是不是能發出聲響，但球員和試穿者們會關心這一點」，耐克高級設計總監張傳禧（Leo Chang）說。「鞋底摩擦的吱吱聲對許多球員來說是種保障。他們會去聽這種聲音，這從聽覺上給他們帶來一種感覺，覺得這樣的球鞋抓地力強。」

但鞋底吱吱作響不僅意味著抓地力，還意味著滑動。這涉及到一個非常複雜的科學問題，從球鞋設計師到研究橡膠的科學家、從機械工程師到聲學專家，甚至再到上文提到的研究龍蝦的生物學家，大批不同領域的專家不斷地對一個問題進行研究和解釋——粘滑運動。

所有這些專家都認同，籃球鞋和地板摩擦發聲的本質是粘滑運動。而這與地震的發震原理很相似：地震學家認為，在應力作用下地殼中的剛性塊體沿斷層發生「滑動-鎖閉-再滑動」的相對運動，在滑動的過程中產生了震動，這種震動就是地震。

▲ 在應力作用下地殼中的剛性塊體沿斷層發生相對運動。

除了地震，生活中還有一個令人難以接受的粘滑現象——粉筆在黑板上劃出的刺耳聲音，這也是一種粘滑運動。

再說回到籃球場上。生物力學家馬丁·肖騰表示，粘滑運動「一般發生在球員腳剛落地或發力啟動的瞬間。」

在球員穿著球鞋的腳由運動轉為靜止的那一刻，以及球員腳部發生扭轉或彈起邁出下一步的瞬間，籃球鞋布滿複雜紋路的橡膠外底會經歷「黏著——滑動——再黏著」的過程。這個過程看起來像是截然停止，但實際上橡膠外底的設計正是為了讓這個過程有一個過渡。如果籃球鞋抓地力過強，穿著它球員的動作會變得不協調；如果抓地力不足，又會增加滑倒的風險。

耐克設計師張傳禧說：「我將這種摩擦聲看作是一雙球鞋抓地力達到平衡的最佳信號。」

尤迪特·普斯卡什（Judit Puskas）也認同張傳禧的說法。尤迪特·普斯卡什是阿克倫大學一名化學工程教授，最近她剛獲得了查爾斯固特異獎（由美國化學學會頒發的橡膠工業領域最高獎項，始於1941年）。她提出橡膠的三個特性組成了一個「魔術三角」——滾動阻力（控制橡膠滑動的能力），附著摩擦力（橡膠黏性）和耐久性。橡膠的這三個性質中，任意一個發生改變都會對另外兩個產生影響。橡膠製品都要根據用途找到這個三個特性之間的平衡點，不管是製造籃球鞋外底、汽車輪胎還是其他橡膠部件。

▲ 滾動阻力、抓地力和耐久性構成橡膠的「魔術三角」。

尤迪特·普斯卡什說：「橡膠鞋底既要讓你的運動停止，又要保證你能隨時開始移動，這是一對完全相反的需求。你希望橡膠有足夠的附著力使你停下來，但又不希望附著力過強讓你無法移動。」

所以，籃球鞋的吱吱聲到底是怎麼回事兒？

球員急停或橫切時腳下吱吱的聲音意味著球鞋的附著力和滑動性達到了平衡，但這並沒有解釋這種聲音是怎麼產生的。

波士頓大學機械工程學副教授格雷格·麥克丹尼爾（Greg McDaniel）管理著一所振動試驗室。他認為，製造聲音的根本方法是壓縮空氣。

「如果你只是在空氣中揮舞手臂，你不會聽見任何聲響，」他說。「為什麼？因為你沒有讓空氣壓縮。空氣像四處流動的水一樣，在你揮舞的手臂擠壓它之前，它有足夠的時間流走。」

但在籃球鞋鞋底各種紋路構成的微小空隙中，空氣很容易被壓縮。

「被壓縮的空氣對其周圍未被壓縮的空氣產生吸引使其拉張，而拉張的空氣又對其周圍空氣產生壓迫，如此便形成了一連串壓縮—拉張、壓縮—拉張的空氣波動，這就是聲波，」格雷格·麥克丹尼爾說。「當橡膠鞋底與地板摩擦發生粘滑運動，鞋底微小空隙中的空氣由於橡膠紋路的變形而被壓縮，並且空氣被壓縮的頻率等於橡膠在粘滑運動過程中震動的頻率。」

馬丁·肖騰對兩雙鞋底帶有人字形花紋的籃球鞋進行了測試，發現它們在地板上摩擦發出的聲音音頻高達5000到6000赫茲，這已經接近人類聽覺的上限。而且，硬木地板不光是橡膠鞋底摩擦發聲的絕佳接觸面，還對聲音有放大作用，讓吱吱聲傳到整座球館。

球鞋的聲音可以訂製嗎？

籃球鞋的鞋底會發出聲響，這成了人們對籃球鞋根深蒂固的認知。耐克圍繞籃球鞋創造了一座商業帝國，但他們也曾嘗試設計出異常安靜的籃球鞋。

「籃球鞋的聲音取決於鞋底紋路的幾何形狀，」張傳禧說。「鞋底的人字形紋路越多，球鞋就越容易發出聲響；鞋底的點狀、塊狀紋路越多，球鞋就越安靜。」

去年NBA總決賽期間，克利夫蘭騎士隊當家球星勒布朗·詹姆斯換上了他的新球鞋——當時耐克為他全新設計的球鞋「戰士10代」。這雙球鞋就被設計成幾乎不發出任何摩擦聲響，鞋底主要由方形格子和凸起點狀組成。

▲ 耐克為勒布朗·詹姆斯推出的「戰士10代」籃球鞋。

這雙特立獨行的球鞋引發了杜克「龍蝦」生物學家西拉·帕特克的奇思妙想：籃球鞋的吱吱聲能不能個性化訂製，讓每個球員的球鞋擁有自己獨有的聲線？

格雷格·麥克丹尼爾不太看好這個點子。他認為，球鞋摩擦的聲響也許可以被訂製（而且現在各種款式的球鞋發出的聲音本來就不同，當然這並非被有意訂製），但這些聲音的頻率範圍過於狹窄，大多數人聽不出其中的不同。

最後再說兩句

球迷們應該對籃球場上球鞋的聲響心懷敬畏。無論籃球這項運動如何進化，球鞋在硬木地板摩擦的聲音從籃球比賽誕生的那天起就沒變過，一直延續到今天。