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薯片为何如此好吃?和它长成这样脱不开关系!

上海科技馆
上海科技馆是综合性自然科学技术博物馆,被评为国家一级博物馆。
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又到一年秋游季,要说书包里必不可少的零食,非薯片莫属。金黄酥脆的外皮下包裹着轻盈的空气感,“咔嚓”一声悦耳的脆响,让人在享受美味的同时,心情也随之愉悦起来。当你再次拉开薯片桶时,是否有过一瞬间的好奇:薯片为什么是这个形状的?

薯片为什么弯曲(作者供图)

薯片形状的问题,似乎成了网红问题,网络上讨论的很多[1],论调也基本相似:马鞍面形状具有更稳固的性能,在制造、运输过程中更能保持不破。毕导[2]前几年另辟蹊径,没有去讨论马鞍面的稳固性,反而提出了较为无厘头的“相切可吃理论”,确实吸睛得很。

毕导的“相切可吃”理论[2]

在《一年四百多亿份,泡面除了美味,还有什么奥秘?》中[3],我们讨论了泡面的形状,其弯曲结构确实类似一个个“拱形”,可将外载分散出去,不怕磕碰。马鞍面也有一个“拱形”,那么在薯片领域,马鞍面形状是否真的也是利用其稳固性,从而便于制造、运输呢?

01薯片的形状都一样吗?

薯片根据包装样式可分为袋装和桶装。袋装的薯片是切出来的真实原装薯片,桶装薯片则是将土豆泥经过模具压制而成的。所以,桶装薯片的形状统一,便于按序包装。而袋装薯片的形状随机性较大,只能装入空气袋中。

桶装薯片成型模具[1]

桶装薯片的形状取决于成型的模具,理论上可以制成任意形状。不过,市面上常见的桶装薯片形状其实也就三种:单曲面、双曲面(马鞍面)、波浪面。而常见的原切袋装薯片(下图中最上面的那一片),也呈现出马鞍面的形状。这是巧合,还是必然?

薯片形状对比(作者供图)

事实上,在一包袋装薯片中,或多或少都有点“马鞍面”的形状。薯片油炸后发生膨化,但其膨胀是不均匀的,会发生翘曲。另外,切片后的土豆由于生长的纤维等因素,它的翘曲存在着2个方向,最终就形成了马鞍面。

不均匀膨胀(作者供图)

所以,马鞍面其实是原切土豆片油炸后自然形成的曲面。

02结实稳固的马鞍面

马鞍面无论如何放置,都是两边两点接触地面;而单曲面开口向上时,与地面的接触面为一条“线”,开口向下时同马鞍面。根据下图公式可以看出,在相同的条件下,开口向上的单曲面危险截面的弯矩(M1)要大于马鞍面和单曲面开口向下(M2)。从这个角度来说,薯片受压之后,马鞍面由于接触位置的摩擦力矩(fh),缓解了内部危险位置的弯矩(M2),从而提升了强度。

两种弯曲形状弯矩对比(作者供图)

但是,对于薯片来说,这种条件下的强度对比并没什么用。桶装薯片包装非常结实,发生薯片受压碎裂的可能性很小。在这里,薯片形状的差异性其实也就没那么重要了。由此可见,马鞍面的形状并非单纯为了高强度而设计。

图源:摄图网

不过,桶装薯片确实也会碎裂。位于包装两端的薯片,在运输过程中来回震荡,会与包装盒端部发生碰撞。翘曲的薯片,在这个碰撞力作用下,因底部腾空而更易碎裂。相反,如果做成平面状,这种运输过程造成的震荡碎裂可能性要小得多。

03薯片为什么要做成马鞍面?

既然如此,为何有的品牌还非要做成马鞍面?其实,这样做很大程度上是追求产品的差异化,主要体现在外观和口感上。外观方面,显然马鞍面更具艺术性。口感方面,马鞍面状受力后碎裂感更强。薯片进入口腔之后,咬合时给予薯片上下两个方向的力,在这对力的作用下,单曲面薯片更易在凹线处碎裂成两片,而马鞍面薯片相当于有2条凹线,至少碎裂成4片。

碎裂线对比(作者供图)

值得一提的是,并非马鞍面受力更均匀,薯片才碎裂的更多。实际上,在口腔咬合条件下,薯片内部的受力情况都是不均匀的。

04马鞍屋面

马鞍屋面的力学原理,与薯片的碎裂原理完全不同。薯片的受力较为随机,而马鞍屋面的受力却是固定的,即屋面载荷垂直向下。也正是在这种垂直均布载荷的作用下,马鞍屋面才能体现出其优越性。

我们把马鞍面剖开,会有一个“拱形”结构。众所周知,拱形结构承载能力大,得益于该结构可以将结构自重以及载荷,全部转化为结构内部的挤压力,消除了拉扯力的弱点。

拱形的受力(作者供图)

马鞍面的内部受力与拱形结构类似,但又有所差别。马鞍面沿着凹线剖开后,上凹剖面(图中蓝色剖面)为受压剖面,其最中间的凹线截面就类似拱形结构的对称面,两侧互相挤压,混凝土就作为承压材料使用。下凹剖面(图中绿色剖面)为受拉剖面,类似一悬链线连接面而互相拉伸,在这个方向上,必须布置钢筋,以增强抗拉性能。

剖面内力拉与压(作者供图)

马鞍面的一拉一压,正好将钢筋混凝土的钢筋和混凝土结构性能发挥至最佳[4]。这种结构应用很多,如:广东星海音乐厅、华南理工大学体育馆、波多黎各蓬斯体育馆、柏林世界博览会会议厅等。但是,整张马鞍面的混凝土薄壳结构跨度毕竟有限,如果用在体育馆上,需像华南理工大学体育馆一样,分成4个马鞍面,分别支撑。

华南理工大学体育馆(华南理工大学官网)

大型体育馆的整张马鞍面屋面结构,并非采用这种钢混薄壳结构,与薯片的马鞍面更加不同。为了降低自重,采用柔索结构,如我国的冰丝带国家速滑馆屋顶。柔索结构内,没有压力,只有拉力。整个屋面结构在自重及其他附属设施的重力作用下,自然地凹下去。设计师顺水推舟,成就了这样一个马鞍形的屋面结构,让力学变成了艺术。

国家速滑馆马鞍状屋面(国家速滑馆官网)

参考文献

[1].为什么薯片多以近似马鞍面(双曲抛物面)的形态出现?https://www.zhihu.com/question/635339502/answer/3378790089

[2].毕导,薯片掉地上还能不能吃?我正式推翻了清华博士的“相切可吃理论”!

https://mp.weixin.qq.com/s/nT9zwAtjSRToNJtSBHoFrQ

[3].王永健,一年四百多亿份,泡面除了美味,还有什么奥秘?https://mp.weixin.qq.com/s/UMzQxVbf_tbtLo0mLEWQGQ

[4] 梁胜,大空间“马鞍形”薄壳结构的整体式覆土屋盖体系研究,华南理工大学,2014.

作者:王永健,南京农业大学副教授,江苏省力学学会科普工作委员会副秘书长,江苏省首席科技传播专家

策划&编辑:Tiara

评论
臭皮匠心
学士级
薯片之所以如此好吃,是因为其结合了美味的口感、巧妙的形状设计、精美的包装、强大的品牌影响力以及合理的原材料选择和处理。这些因素共同作用,使得薯片成为了许多人难以抗拒的美味零食。
2024-10-14
生态环境局~褚全立
太师级
解析薯片的形状之谜,它的马鞍面形状,不仅是制造过程的自然产物,也体现了品牌追求的差异化和口感体验。而马鞍面在建筑中的应用,则展现了结构设计的智慧与美学。无论是小吃还是建筑,马鞍面都以它独特的魅力,连接着日常与艺术,科学与美学。
2024-10-14
内蒙古赵华
庶吉士级
在一包袋装薯片中,或多或少都有点“马鞍面”的形状。切片后的土豆由于生长的纤维等因素,它的翘曲存在着2个方向,最终就形成了马鞍面。对保存不变形具有重要意义。
2024-10-14