Nature：篮球场上，球鞋为啥会吱吱响？

观看一场激烈的篮球比赛，除了观众山呼海啸般的助威声、现场转播的音乐声，还有一种声音也少不了，那就是球员跑动时球鞋摩擦地板的吱吱声。尤其是球员急停急转时，这种声音几乎能盖过场上任何其他声音。摩擦产生声音很常见，粉笔划过黑板，手掌蹭上光滑的玻璃，都会发出有特点的声音，更有甚者，泡沫塑料相互摩擦，也会产生让很多人毛骨悚然、头皮发麻的噪音，堪称听觉“酷刑”。那么，这些声音究竟是如何产生的？

近期，

哈佛大学Adel Djellouli、Katia Bertoldi

等研究者在

Nature

期刊发表研究论文，首次从实验上揭示了软硬材料界面摩擦发出吱吱声的机制，并意外地发现——通过简单的表面纹路设计不仅可以抑制或激发这种声音，甚至能定制特定的音符。他们利用高速成像和声学分析，捕捉到了摩擦界面上以声速传播的开口脉冲（opening pulse），并证明了这些脉冲的规律性是产生吱吱声的关键。这项研究不仅解答了关于摩擦噪音的百年疑问，更为从地质断层力学到触觉反馈设备的设计提供了全新的理论框架。

沿滑动方向传播的开口脉冲。图片来源：Nature

从达•芬奇说起

大家都知道达•芬奇并不仅是绘画大师，还是一位堪称全才的杰出学者。本文研究团队就借鉴了他在15世纪进行摩擦实验的配置思路。“结合全内反射成像技术，我们使用每秒可捕捉高达一百万帧的高清相机，使橡胶与玻璃之间接触界面的演变变得可视化。”论文第一作者、哈佛大学的Adel Djellouli博士这样描述他们的实验。[1]

传统理论认为，这类声音源于“粘滑效应”——两个表面周期性地粘连与滑动。然而，这一模型主要适用于刚体之间的相互作用。当涉及软材料（如橡胶鞋底）与硬表面的高速滑动时，传统的粘滑理论就显得力不从心了。研究团队要挑战的正是这个百年难题。

不是“滑动”，而是“撕裂”

当研究者将目光投向软硬材料界面时，他们发现了一个全新的世界。在篮球鞋与玻璃板的滑动实验中，高速相机捕捉到了令人惊异的画面（下图）：滑动并非均匀连续地进行，相反，运动被局域化为一种快速传播的开口滑移脉冲。这些脉冲如同微小的撕裂波，以接近软材料剪切波速的速度（实验中测得约80米/秒）沿着界面传播，所到之处，界面瞬间分离，实现局部的无接触滑动。更重要的是，声音的频率并非由随机的粘滑事件决定，而是由这些脉冲的重复频率决定。在篮球鞋实验中，脉冲的重复频率约为4830 Hz，恰好等于录制到的吱吱声主频。这一发现首次建立了脉冲与声音之间的直接因果联系。

篮球鞋与玻璃界面摩擦发声的实验观测。a，实验装置示意图。b，记录到的声音信号。c，声音频谱显示主频为4817 Hz。d，高速相机捕捉到的沿滑动方向传播的开口脉冲（橙色虚线所示）。图片来源：Nature

为什么有的声音还能忍受，有的声音却异常刺耳？

前面说了，不同材料的摩擦，产生的声音并不相同。为解释这个问题，研究者制作了两种硅橡胶滑块（下图）：一种表面完全平滑，另一种带有平行的微米级条纹。高速滑动时，两者的表现截然不同。平滑表面的脉冲呈现出完全的混沌状态——脉冲的长度、方向、间隔随机变化，对应产生的声音频谱宽泛而无峰，类似于“嗖”的摩擦声或嘶嘶的宽频噪音。而带有条纹的表面则展现了有序性，这些微小的条纹充当了波导，将脉冲严格限制在轨道内传播，使之以恒定的时间间隔向同一方向行进，直接产生了频谱上尖锐的主峰——也就是我们熟悉的、令人头皮发麻的尖锐噪音。

平坦表面与条纹表面摩擦行为的对比。图片来源：Nature

“我们很惊讶，微小的表面特征竟然能如此强烈地重新组织摩擦运动，”论文作者之一、诺丁汉大学的Gabriele Albertini博士表示。[1] 这一发现挑战了长期以来用简化的一维模型描述摩擦的假设，凸显了界面维度的关键作用。

在验证了条纹阵列能够规整脉冲后，一个自然的问题浮现出来：这种效应需要众多条纹协同作用，还是单根条纹就足以产生尖锐噪音？研究者制作了仅含单根孤立条纹的滑块，并系统地改变条纹的宽度*w*（从3 mm到24 mm）。实验结果令人惊讶：一根细细的条纹，就足以诱导出尖锐噪音。其产生的频谱主峰与多条纹样品几乎一致，证明了条纹间的相互作用并非必要条件。更重要的发现隐藏在宽度的变化中。当条纹较窄（如w = 6 mm）时，开口脉冲完美地“骑”在整个条纹宽度上传播，如同水波被限制在河道中。但当条纹过宽（如w =24 mm）时，脉冲不再能覆盖整个宽度，其传播方向也开始出现偏斜，变得杂乱。频谱分析显示，此时尖锐的主峰消失了。研究者对脉冲的几何参数（长度lp、角度θp、厚度tp）进行了统计分析，数据清晰地表明：只有足够窄的条纹（即

lp/

*w*≈1），才能真正起到波导的作用，将脉冲的传播严格限制在一维方向，从而避免复杂二维相互作用导致的混沌。这一发现至关重要：它揭示了“几何约束”是秩序之源。窄条纹通过物理边界，强制脉冲以一维方式传播，实现了对复杂二维动力学的降维打击，为后续的频率锁定奠定了基础。

单根条纹的波导效应。图片来源：Nature

从吱吱响到音乐

证明了表面条纹（尤其是窄条纹）能将混沌摩擦转化为规律脉冲后，研究者更进一步，探索了能否精确控制摩擦发声的音调（下图）。他们发现，虽然条纹的宽度对频率影响不大，但滑块本身的厚度（即高度H）却是决定性因素。研究者发现，声音的主频率与滑块的高度呈完美的反比关系：f0= cs/2H，其中cs是材料的剪切波速，H是滑块高度。换句话说，滑块的几何尺寸决定了它以何种频率振动，而这种振动反过来锁定了界面脉冲的发射节奏。基于这一原理，研究者制作了一系列高度不同的硅胶滑块，让每个滑块对应一个不同的音符：D₅（600 Hz）、F₅（713 Hz）、F♯₅（755 Hz）、A₅（899 Hz）、C♯₆（1132 Hz）、D₆（1200 Hz）……随后，他们像演奏乐器一样，用手滑动这些滑块划过玻璃板，竟然成功奏响了《星球大战》中《帝国进行曲》的旋律（虽然听起来不太好听，勉强算是旋律吧……）。

通过控制滑块高度谱写音乐。图片来源：Nature

普适的物理机制

该现象并非硅橡胶独有。研究者进一步测试了更硬的Smooth-Sil 960（E=4 MPa）和3D打印的热塑性聚氨酯（E=40 MPa）。尽管材料刚度相差数十倍，但观测到的现象完全一致。将所有材料的实验数据、有限元模拟结果进行归一化处理后，它们完美地落在同一条曲线上，无可辩驳地证明了几何结构决定模态选择、模态锁定决定频率这一普适物理规律的存在。

不同材料体系的验证。图片来源：Nature

这项研究是一个绝佳的范例，它告诉我们，科学发现不仅在于探索全新的未知，也在于对已有现象的深度挖掘。

下一次心有所感的时候，无论是否与科研有关，都向着自己的科研方向联想一下吧，说不定就有更多的发现。

Squeaking at soft–rigid frictional interfaces

Adel Djellouli, Gabriele Albertini, Jackson Wilt, Vincent Tournat, David Weitz, Shmuel Rubinstein & Katia Bertoldi

Nature,

2026

, 650, 891–897, DOI: 10.1038/s41586-026-10132-3

参考资料：

1. The Physics of a Squeak