运动鞋底的吱吱响其实充满了闪电，这项研究竟能登上《自然》

环球科学环球科学2026年11月05日约 6 分钟

这张图片能让你联想起吱吱的声音吗？图片来源： unsplash
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撰文 | 王昱审校 | 不周
每次围观篮球比赛时，你肯定会留意到球员鞋底尖锐的吱吱声。橡胶鞋底在光滑的地板上摩擦摩擦，有些球员甚至会用这种声音，来判断对手踩出了怎样魔鬼般的步伐。
但就算是这种常见的现象，科学家也没能完全弄明白其中的奥秘。这些声音当然来自橡胶鞋底和光滑地板之间的摩擦，但 “摩擦”这个词本身就是一系列复杂概念的集合。
和篮球鞋摩擦木地板类似的，还有粉笔末擦黑板、自行车刹车时的尖锐异响等，这些声音都源自摩擦里的一个分支：粘滑现象。然而，即使用粘滑现象，也不足以解释球鞋和地板之间的摩擦。今年2月，一篇发表在《自然》（ Nature ）上的论文发现，在描述鞋底摩擦时，粘滑现象还是显得太概括、太粗糙了。

为了 Nature 疯狂摩擦中。视频来源：Djellouli, A., Albertini, G., Wilt, J. et al. Squeaking at soft–rigid frictional interfaces. Nature 650 , 891–897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10132-3

粘滑现象
在粘滑现象中，两个相互接触的物体最开始相对静止，但却有一个力不断推着其中一方向前进，当力逐渐增大，超过两者之间的静摩擦时，两者就会开始相互滑动。但随后这个力会减小，两者再次保持静止，所以摩擦力会随时间呈现锯齿状的变化。

运动机构以速度V，通过一个弹簧R拉着滑块在有摩擦的地面上向左运动。静摩擦力上限大于动摩擦时，会出现粘滞-滑动的循环，这就是粘滑现象。图片来源：wikipedia
在粘滑现象中，粘滞-滑动往往会形成规律性的循环，所以在撕胶带时，往往能看到胶带是一节一节撕开的。并且，由于每次从静止到滑动的切换，都快速释放了在静止阶段积累的势能，这一阶段的某些“数值”往往看着都比较离谱，也能在这一瞬间引起一些奇特的现象。

快速撕胶带时会发生超音速的侧向移动。视频来源：《物理评论快报》/美国物理学会
比如，一篇2019年发表于《物理评论快报》（ Physical Review Letters ）的论文表明，在快速撕胶带的过程中，胶带并非整齐地被拉开。高速摄影机记录下的画面显示，当粘滑现象中的滑动过程发生时，胶带剥离处会以650～900米/秒的速度侧向移动，甚至超过了战斗机的飞行速度。也正因如此，撕胶带的声音才会如此刺耳。毕竟，每一次释放能量，胶带都会发出微小的超音速冲击波，让我们的耳朵接连不断地受到音爆冲击。

鞋底接触面
但鞋底的摩擦比撕胶带时的摩擦要更复杂一些，因为鞋底具有复杂的防滑花纹。某条花纹可能还在地板处在粘滞状态，另一部分花纹可能已经进入了滑动状态。而且，它们之间还可能相互影响。所以，如果想从粘滑现象更进一步研究这个问题，研究者就需要清楚地知道，鞋底的哪些地方真正贴着玻璃，哪些地方正在短暂离开。
这些复杂的花纹还会带来实际观测的困难，研究人员当然可以将地板换成透明玻璃，用普通摄像机从下向上拍摄鞋底和地板之间的摩擦。但是，这种方法却很难区分鞋底“贴住玻璃”和“离开一点点”的区别。
在今年2月的《自然》论文中，研究人员用全内反射技术，解决了这个问题。在研究人员搭建的设备中，依然选用玻璃作为地板，但与此同时，他们还会向玻璃中打入一束特定角度的激光。激光的入射角度恰巧能让它在玻璃内发生全反射。
当鞋底和玻璃接触时，原本的玻璃-空气界面就会被玻璃-橡胶界面取代，不再满足光线全反射的条件，就会有部分光发生散射。当鞋底再脱离玻璃时，玻璃-橡胶界面又回变会玻璃-空气界面。因此，这套实验装置对鞋底究竟有没有接触玻璃非常敏感，观测精度也足够高，适合定量分析。

实验设置利用全内反射技术，能更清楚的分辨鞋底究竟哪些部分 “贴住玻璃”，哪些部分“离开一点点”。图片来源：Djellouli, A., Albertini, G., Wilt, J. et al. Squeaking at soft–rigid frictional interfaces. Nature 650 , 891–897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10132-3
有了这套装置，再结合高速摄像机观测，研究人员发现。运动鞋底其实并不是一个统一的整体，在粘滑现象中，鞋底某些地方滑动的同时，另一些地方可能仍处在粘滞状态。并且，这种局部脱离的滑动状态，还会在粘质的鞋底迅速传播，形成一道滑移脉冲。滑移脉冲甚至能形成稳定的节奏，让能量集中释放在某个频率上，这个频率恰巧就对应着吱吱声的音高。
鞋底的纹理形状在声音产生中起着决定性作用。表面平坦的橡胶块沿着玻璃滑动时，脉冲复杂且不规则；但如果鞋底有细小的脊状结构，脉冲就会局限到特定频率。而且，这种对应关系实在是太精确了，研究人员甚至能把它用作乐器 ——他们真的这么做了，他们设计了具有不同高度的脊状橡胶结构，并用手演奏了《星球大战》的《帝国进行曲》。

不过他们的演奏技巧似乎有待提升，并且这玩意儿听起来确实有些刺耳。视频来源：Djellouli, A., Albertini, G., Wilt, J. et al. Squeaking at soft–rigid frictional interfaces. Nature 650 , 891–897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10132-3
也就是说，你完全可以根据这篇论文定制你的鞋底，让你的鞋底发出你最喜欢的音调。
在高速摄像机的检测下，研究人员还发现了一种意外现象。在鞋底吱吱作响时，他们还拍到了那里的微型闪电。

是的，你的鞋底在吱吱响时，说不定你真的正在脚踩闪电。视频来源：Djellouli, A., Albertini, G., Wilt, J. et al. Squeaking at soft–rigid frictional interfaces. Nature 650 , 891–897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10132-3
不过这也不奇怪，这就是粘滑现象“数值”的魅力。而且，不仅是鞋底能产生这种现象，去年一篇发表在《美国科学院院刊》（ PNAS ）上的论文同样发现，在撕胶带时，甚至能产生10亿伏特每米的电场。
虽然电场范围非常小，并且持续时间也只有一瞬间，但它的电场强度大到让人难以置信，过去，科学家几乎不可能在实验室中创造如此强大的电场。这种强大的电场，甚至能在胶带上催化出原本无法自发进行的化学反应。

不止于鞋底
虽然这次研究的切入点是运动鞋在地面上的摩擦，但是它的意义远不止于在鞋底发现尖叫和微型闪电。最关键的是，研究人员发现，鞋底滑移脉冲的物理机制，其实和地震的发生过程如出一辙：在地震中，破裂和滑移脉冲会沿着构造断层高速传播，接近甚至超过声速。
软摩擦通常被认为速度较慢，但不断有研究指出，软材料的摩擦学与地震动力学其实并不是相互割裂的两个领域。运动鞋的吱吱声传播速度可以与地质断层的破裂一样快，甚至更快，而且二者的物理机制惊人地相似。

参考链接： https://phys.org/news/2026-02-physics-sneaker-high-imaging-supersonic.html https://www.nature.com/articles/s41586-026-10132-3 https://www.nature.com/articles/d41586-026-00295-4 https://en.wikipedia.org/wiki/Stick–slip_phenomenon https://mp.weixin.qq.com/s/2vgL9gUL6wE9t8fUGMh5uw https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2510504122 https://www.nature.com/articles/nature07378 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005 https://www.nature.com/articles/news.2008.1185
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