原標(biāo)題：籃球鞋的“摩擦聲”是怎么響起的（科技大觀）　　

粉筆劃過黑板的一瞬間，籃球場上運(yùn)動(dòng)鞋不時(shí)發(fā)出的響聲，這些生活中看似普通的摩擦現(xiàn)象，背后卻隱藏著物理學(xué)界長期未能完全破解的謎題。近日，美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表研究成果，首次揭示了軟硬材料摩擦界面產(chǎn)生聲音的物理機(jī)制。這項(xiàng)研究不僅探析了摩擦發(fā)聲的微觀原理，還通過精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓“摩擦聲”奏響科幻電影《星球大戰(zhàn)》配樂的一段旋律，為更好實(shí)現(xiàn)材料間摩擦力的控制開啟了思路。

摩擦是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，從遠(yuǎn)古人類鉆木取火點(diǎn)亮文明的第一縷光，到古埃及工匠在沙地上灑水潤滑、減少摩擦以搬運(yùn)巨石，其應(yīng)用與研究幾乎貫穿人類社會(huì)發(fā)展歷程。然而，摩擦學(xué)中精確定量的試驗(yàn)卻非常困難，摩擦定律至今仍未得到完善解釋。長久以來，科學(xué)家將摩擦聲歸因于“粘滑”振蕩：當(dāng)兩個(gè)硬表面相互摩擦?xí)r，它們并非平滑移動(dòng)，而是像進(jìn)行一場拉鋸戰(zhàn)——時(shí)而緊緊咬合（靜摩擦），時(shí)而突然掙脫滑行（動(dòng)摩擦）。這種“卡住—滑動(dòng)—再卡住”的循環(huán)產(chǎn)生自激振動(dòng)，從而發(fā)出聲音。然而，這一經(jīng)典理論卻難以解釋，為何不同材質(zhì)的摩擦?xí)a(chǎn)生不同的音調(diào)。

為解開這一謎題，此次研究團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)“舞臺(tái)”。他們讓籃球鞋鞋底以約1米/秒的速度在玻璃表面滑動(dòng)，同時(shí)運(yùn)用高速成像與聲學(xué)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉摩擦界面的微觀動(dòng)態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接觸界面并非風(fēng)平浪靜，而是掀起了一股股急速傳播的“脫開波”。這些波如同退潮時(shí)海水掠過沙灘上的沙紋，快速掃過鞋底的微小紋理。每掃過一次，微小的接觸點(diǎn)就完成一次從“閉合”到“張開”再回到“閉合”的快速循環(huán)。測量顯示，這些“脫開波”以80±4米/秒的速度傳播——遠(yuǎn)高于鞋底本身的滑動(dòng)速度。更令人驚嘆的是，其對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率約為4830赫茲，與人耳聽到的聲音主頻率4800赫茲幾乎完全一致。原來，“脫開波”的節(jié)奏，就是摩擦聲音的音高；那些不同材質(zhì)摩擦出的“旋律”，竟是微觀世界里無數(shù)“海浪”拍岸的“合唱”。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了樣品幾何形狀對(duì)聲音頻率的調(diào)控規(guī)律，測試了高度在5至20毫米之間、表面帶有平行凸脊的硅橡膠樣品。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品自身高度與發(fā)出的特定音調(diào)基頻呈精確的反比關(guān)系。樣品越高，音調(diào)越低；樣品越矮，音調(diào)越高。這意味著，科學(xué)家可以像調(diào)音師一樣，通過設(shè)計(jì)不同高度的樣品，主動(dòng)“創(chuàng)作”出想要的聲音。研究團(tuán)隊(duì)將橡膠樣品精確調(diào)校至6個(gè)不同音高，依次滑動(dòng)這些樣品時(shí)，仿佛彈奏著一臺(tái)看不見的樂器，用摩擦聲復(fù)刻了《星球大戰(zhàn)》配樂的旋律。

在最尋常的現(xiàn)象中，往往蘊(yùn)藏著最不尋常的真理。這項(xiàng)看似“小題大做”的研究，擁有創(chuàng)新運(yùn)用的巨大潛力。比如，通過物理學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)的跨學(xué)科合作，科研人員可開發(fā)通過表面微結(jié)構(gòu)主動(dòng)調(diào)控摩擦力和聲音的智能材料，有望在低噪聲交通、智能機(jī)器人觸覺感知等領(lǐng)域取得突破。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中觀察到的“脫開波”現(xiàn)象，有助于研究和理解地震的觸發(fā)與傳播這一科學(xué)難題。地震的本質(zhì)是地殼板塊在巨大壓力下，經(jīng)歷漫長的“卡住”（應(yīng)力積累）到突然的“滑動(dòng)”（能量釋放）過程。那些急速掠過的微小“脫開波”，正是地震這一宏觀過程的微觀縮影。或許有一天，我們可以通過研究鞋底的“歌聲”，更好地預(yù)測地球的“怒吼”。

（作者為中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員）