都2026了，球鞋刮擦地板咋还吱吱作响……

导读

球鞋摩擦地板的吱吱声可谓篮球赛事自带的背景音。

实际上，这种摩擦异响也广泛出现于各类机械系统。比如，在髋关节、膝关节置换假体里，当高分子聚合物内衬与金属/陶瓷股骨头相互滑动时，就会产生令人不快的吱吱声；又如，雨天自行车紧急刹车也可发出类似声响。

长期以来，学界对这类异响机制知之甚少。当一对弹性不同的材料，比如硬地板与橡胶鞋底，彼此紧紧黏着、却又因外力而要滑动摩擦，这对材料的接触表面，或者更准确地说，摩擦界面究竟以何种微观过程产生了相对滑移以及伴随滑移的吱吱声？界面上的这种滑移是否稳定，其稳定性由哪些因素决定？可否找到方法来消除摩擦噪音？

2026年2月，有科学家于《自然》（Nature）杂志发表题为“软-硬摩擦界面处的吱吱声”(Squeaking at soft–rigid frictional interfaces)的论文，介绍了他们关于此类摩擦异响原理的关键发现。近期，团队成员之一、诺丁汉大学学者加布里埃莱·阿尔贝蒂尼(Gabriele Albertini)撰写科普文章，深入浅出地回顾了这项看似简单的研究工作。

两种材料相互滑动产生的声响，一般由“黏-滑”情境造成：接触面瞬间黏附在一起，系统持续积蓄弹性势能；直到平衡被打破，随后接触面发生滑动，储存的能量瞬间释放。

从动力学角度看，若材料滑移时的摩擦力随滑动速度提高而减小，就会引发自激振荡(slip velocity)——因为速度变快，所以摩擦力小了，因为摩擦小了，滑动速度就更快了……绝大多数地震的发生，也都遵循这套黏-滑作用机制。

然而，上述理论选择将一对材料的接触表面视作整体，或者说“点接触”模型，无法全面描述“扩展摩擦界面”(extended frictional interfaces)的复杂动力学行为。

在扩展摩擦界面上，滑移并非点接触模型那般整体同步地发生，而是以如同裂纹般的滑移前沿(slip front)和滑移脉冲(slip pulse)形式传播。若滑动双方分别是刚性表面与软性固体，例如球场地板和篮球鞋底，局部滑移(localized slip，接触界面上某些局部区域的滑移)现象会尤为明显。

通过实验寻找球鞋异响的成因

为搞清楚吱吱声来源，我们将篮球鞋底置于刚性平板上开展了滑动实验。

团队选用一块透明亚克力板，并在板材侧边加装LED光源，以求直接观测摩擦界面的接触状态。光线的入射角足够大，因此能发生全反射并被限定在板内部传播；当橡胶材质的球鞋鞋底与板表面接触时，光线会透射至橡胶，板上的接触区呈现亮斑。

一台每秒10万帧的高速相机，能记录下/可视化接触面在空间和时间上的演变，另有麦克风负责测量摩擦期间的声响。

我们观测发现，鞋底与板面间的相对滑动，并非沿着界面整体同步地发生；在界面的某些局部区域，双方的接触会瞬间分离，而这块局部周围的界面却仍处于高压黏着状态。此类分离区域被称作张开型滑移脉冲(opening slip pulses，一种特殊的局部滑移形式)，其沿界面传播的速度甚至超过橡胶自身的剪切波速。

它们会以0.2毫秒的固定时间间隔产生，频率约为5千赫兹。这些张开型滑移脉冲出现的瞬间，麦克风同步采集到相同频率的吱吱声。脉冲生成频率与异响频率的一致性，有力证实了张开型滑移脉冲与球鞋吱吱声间的因果关系。下图展示了一例张开型滑移脉冲。

亚克力板与篮球鞋底间摩擦界面的瞬时成像：鞋底以滑动速度Vslide向右滑动，一道张开型滑移脉冲则以80米/秒的速度Cpulse自左向右传播，脉冲传播速度远高于鞋底滑动速度，且二者彼此独立

滑移脉冲的萌生与传播

理论分析与数值模拟表明，当两种弹性性质不同的固体沿界面发生均匀滑动时，这种滑动是容易失稳的，尤其在摩擦系数较高的情况下。不稳定性源于多重因素共同作用。

一方面，由于材料弹性互不匹配，一方易变形，另一方不易变形，故局部区域的滑移会导致压力变化——原本被压紧的鞋底橡胶因滑移而势能释放、压力骤降。另一方面，摩擦强度与接触压力相互耦合，局部的压力波动会直接引起滑移的波动——滑移量在空间和时间上呈现不均匀、起伏变化的动态状态

滑移与压力的双向因果关系，可以持续放大微小扰动，致使原本近似均匀滑动的亚稳定状态转变为：大部分界面保持黏着，脉冲形式的局部滑移以声速传播。

激发局部滑移脉冲萌生的压力波动，可能来自系统的宏观振动，也可能源于材料表面的静电放电(前提是界面压力极高)。

为深入理解那些主导滑移脉冲动力学的因素，我们利用3D打印模具浇筑橡胶块试样。试样表面分为两种类型，一类光滑平整，另一类带有类似篮球鞋底的凸棱纹路。无论平整与否，橡胶块滑动时总有张开型滑移脉冲出现，不过脉冲的形态和周期性存在巨大差异。

平整表面的滑移脉冲可沿多个方向传播，还会发生倾斜、合并、分离，呈现复杂混沌的动力学行为，产生宽频谱的刮擦声。

与之相对的，在仿球鞋底的表面上，脉冲被限制于单条凸棱纹路内，每条凸棱都相当于一条波导通道，隔绝脉冲之间复杂的相互作用，将无序的动力学行为规整化。因此凸棱表面能以恒定频率生成脉冲，发出清脆的吱吱声。

原来材料表面几何结构的细微改动，就能如此深刻地影响滑移脉冲的传播规律。这着实令人惊讶，我们原本预期，多条相邻凸棱会相互耦合，整体等效为连续二维平面，可事实并非如此。于是团队进一步探索原理，制备了仅有单条凸棱的橡胶表面，并逐步增加凸棱宽度。

结果表明，当凸棱宽度较小时，脉冲被约束于棱内，界面近似一维结构，滑移动力学行为有序；当凸棱宽度达到典型脉冲宽度的4倍及以上时，接触面等效为二维平面，动力学行为转为混沌无序。

精准控制吱吱声的音调并以此奏乐

带凸棱纹路的橡胶表面而言，只要几何形状给定，其摩擦异响(也就是吱吱声)的频率稳定性极高，几乎不受接触压力或滑动速度变化的影响。

但反过来，若变量是几何形状——更准确来说，是橡胶块高度，即从接触面到橡胶块顶部的距离，吱吱声频率将对该变量十分敏感。二者呈反比关系：橡胶块越高(可以理解为越厚)，频率越低。

基于此规律，我们定制了一批精确控制高度的橡胶试样，每一块都能发出固定音高；利用这些橡胶块，我们甚至摩擦出了经典乐曲。

通过调整橡胶块高度，研究人员能精准控制橡胶块与亚克力板摩擦时产生的声响频率——进而演奏乐曲，比如上方视频所示的《星球大战》电影配乐《帝国进行曲》[The Imperial March (Darth Vader’s Theme)]。

前文提到，我们发现在鞋底与板面间，会产生频率为5千赫兹的张开型滑移脉冲。这也引发了另一个问题：为什么滑移脉冲会在特定频率下被激发？

后续观测显示，橡胶块后缘(滑移方向上的后端)会持续发生振幅不断增大的振荡；每一次振荡都会短暂抬起后缘的接触面，为新脉冲萌生创造适宜条件，这些脉冲的频率会被锁定在系统的一阶剪切固有频率。

如果弹簧被先拉伸、后松手，它会以自己的固有振动节奏往复伸缩，同样地，橡胶块也有自己的振动节奏，这种节奏就是一阶剪切固有频率。

我们的研究成果有两大应用前景。其一在于设计通过摩擦发声的新型乐器；其二则是推动无噪音运动鞋革新。消除球鞋吱吱声的技术思路有两条：

1. 利用混沌滑移状态，使脉冲失去同步性，由此，摩擦将无法产生尖锐的吱吱声，取而代之的是细碎的“嘘”(shhh)声，也就是前文介绍的“宽频谱的刮擦声”。

2. 设计一种特殊系统，让滑移脉冲仅在极高滑动速度或压力下才会生成，日常使用条件无法触发异响。

资料来源：

文章转载自“世界科学”公众号