薯片這么好吃，和它長(zhǎng)成這樣脫不開(kāi)關(guān)系

又到一年秋游季，要說(shuō)書(shū)包里必不可少的零食，非薯片莫屬。

金黃酥脆的外皮下包裹著輕盈的空氣感，“咔嚓”一聲悅耳的脆響，讓人在享受美味的同時(shí)，心情也隨之愉悅起來(lái)。當(dāng)你再次拉開(kāi)薯片桶時(shí)，是否有過(guò)一瞬間的好奇：薯片為什么是這個(gè)形狀的？

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薯片形狀的問(wèn)題，似乎成了網(wǎng)紅問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)上討論得很多，論調(diào)也基本相似：馬鞍面形狀具有更穩(wěn)固的性能，在制造、運(yùn)輸過(guò)程中更能保持不破。畢導(dǎo)前幾年另辟蹊徑，沒(méi)有去討論馬鞍面的穩(wěn)固性，反而提出了較為無(wú)厘頭的“相切可吃理論”，確實(shí)吸睛得很。

畢導(dǎo)的“相切可吃”理論

那么在薯片領(lǐng)域，馬鞍面形狀是否真的也是利用其穩(wěn)固性，從而便于制造、運(yùn)輸呢？

薯片的形狀都一樣嗎？

薯片根據(jù)包裝樣式可分為袋裝和桶裝。袋裝的薯片是切出來(lái)的真實(shí)原裝薯片，桶裝薯片則是將土豆泥經(jīng)過(guò)模具壓制而成的。所以，桶裝薯片的形狀統(tǒng)一，便于按序包裝。而袋裝薯片的形狀隨機(jī)性較大，只能裝入空氣袋中。

桶裝薯片成型模具

桶裝薯片的形狀取決于成型的模具，理論上可以制成任意形狀。不過(guò)，市面上常見(jiàn)的桶裝薯片形狀其實(shí)也就三種：單曲面、雙曲面（馬鞍面）、波浪面。而常見(jiàn)的原切袋裝薯片（下圖中最上面的那一片），也呈現(xiàn)出馬鞍面的形狀。這是巧合，還是必然？

薯片形狀對(duì)比（作者供圖）

事實(shí)上，在一包袋裝薯片中，或多或少都有點(diǎn)“馬鞍面”的形狀。薯片油炸后發(fā)生膨化，但其膨脹是不均勻的，會(huì)發(fā)生翹曲。另外，切片后的土豆由于生長(zhǎng)的纖維等因素，它的翹曲存在著2個(gè)方向，最終就形成了馬鞍面。

不均勻膨脹（作者供圖）

所以，馬鞍面其實(shí)是原切土豆片油炸后自然形成的曲面。

結(jié)實(shí)穩(wěn)固的馬鞍面

馬鞍面無(wú)論如何放置，都是兩邊兩點(diǎn)接觸地面；而單曲面開(kāi)口向上時(shí)，與地面的接觸面為一條“線(xiàn)”，開(kāi)口向下時(shí)同馬鞍面。根據(jù)下圖公式可以看出，在相同的條件下，開(kāi)口向上的單曲面危險(xiǎn)截面的彎矩（M1）要大于馬鞍面和單曲面開(kāi)口向下（M2）。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，薯片受壓之后，馬鞍面由于接觸位置的摩擦力矩（fh），緩解了內(nèi)部危險(xiǎn)位置的彎矩（M2），從而提升了強(qiáng)度。

兩種彎曲形狀彎矩對(duì)比（作者供圖）

但是，對(duì)于薯片來(lái)說(shuō)，這種條件下的強(qiáng)度對(duì)比并沒(méi)什么用。桶裝薯片包裝非常結(jié)實(shí)，發(fā)生薯片受壓碎裂的可能性很小。在這里，薯片形狀的差異性其實(shí)也就沒(méi)那么重要了。由此可見(jiàn)，馬鞍面的形狀并非單純?yōu)榱烁邚?qiáng)度而設(shè)計(jì)。

不過(guò)，桶裝薯片確實(shí)也會(huì)碎裂。位于包裝兩端的薯片，在運(yùn)輸過(guò)程中來(lái)回震蕩，會(huì)與包裝盒端部發(fā)生碰撞。翹曲的薯片，在這個(gè)碰撞力作用下，因底部騰空而更易碎裂。相反，如果做成平面狀，這種運(yùn)輸過(guò)程造成的震蕩碎裂可能性要小得多。

薯片為什么要做成馬鞍面？

既然如此，為何有的品牌還非要做成馬鞍面？其實(shí)，這樣做很大程度上是追求產(chǎn)品的差異化，主要體現(xiàn)在外觀(guān)和口感上。

外觀(guān)方面，顯然馬鞍面更具藝術(shù)性?？诟蟹矫妫R鞍面狀受力后碎裂感更強(qiáng)。薯片進(jìn)入口腔之后，咬合時(shí)給予薯片上下兩個(gè)方向的力，在這對(duì)力的作用下，單曲面薯片更易在凹線(xiàn)處碎裂成兩片，而馬鞍面薯片相當(dāng)于有2條凹線(xiàn)，至少碎裂成 4 片。

碎裂線(xiàn)對(duì)比（作者供圖）

值得一提的是，并非馬鞍面受力更均勻，薯片才碎裂的更多。實(shí)際上，在口腔咬合條件下，薯片內(nèi)部的受力情況都是不均勻的。

馬鞍屋面

馬鞍屋面的力學(xué)原理，與薯片的碎裂原理完全不同。薯片的受力較為隨機(jī)，而馬鞍屋面的受力卻是固定的，即屋面載荷垂直向下。也正是在這種垂直均布載荷的作用下，馬鞍屋面才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

我們把馬鞍面剖開(kāi)，會(huì)有一個(gè)“拱形”結(jié)構(gòu)。眾所周知，拱形結(jié)構(gòu)承載能力大，得益于該結(jié)構(gòu)可以將結(jié)構(gòu)自重以及載荷，全部轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擠壓力，消除了拉扯力的弱點(diǎn)。

拱形的受力（作者供圖）

馬鞍面的內(nèi)部受力與拱形結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但又有所差別。馬鞍面沿著凹線(xiàn)剖開(kāi)后，上凹剖面（圖中藍(lán)色剖面）為受壓剖面，其最中間的凹線(xiàn)截面就類(lèi)似拱形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)面，兩側(cè)互相擠壓，混凝土就作為承壓材料使用。下凹剖面（圖中綠色剖面）為受拉剖面，類(lèi)似一懸鏈線(xiàn)連接面而互相拉伸，在這個(gè)方向上，必須布置鋼筋，以增強(qiáng)抗拉性能。

剖面內(nèi)力拉與壓（作者供圖）

馬鞍面的一拉一壓，正好將鋼筋混凝土的鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮至最佳。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用很多，如：廣東星海音樂(lè)廳、華南理工大學(xué)體育館、波多黎各蓬斯體育館、柏林世界博覽會(huì)會(huì)議廳等。但是，整張馬鞍面的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)跨度畢竟有限，如果用在體育館上，需像華南理工大學(xué)體育館一樣，分成 4 個(gè)馬鞍面，分別支撐。

華南理工大學(xué)體育館（華南理工大學(xué)官網(wǎng)）

大型體育館的整張馬鞍面屋面結(jié)構(gòu)，并非采用這種鋼混薄殼結(jié)構(gòu)，與薯片的馬鞍面更加不同。為了降低自重，采用柔索結(jié)構(gòu)，如我國(guó)的冰絲帶國(guó)家速滑館屋頂。柔索結(jié)構(gòu)內(nèi)，沒(méi)有壓力，只有拉力。整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)在自重及其他附屬設(shè)施的重力作用下，自然地凹下去。設(shè)計(jì)師順?biāo)浦?，成就了這樣一個(gè)馬鞍形的屋面結(jié)構(gòu)，讓力學(xué)變成了藝術(shù)。

國(guó)家速滑館馬鞍狀屋面（國(guó)家速滑館官網(wǎng)）

策劃制作

來(lái)源丨上?？萍拣^

作者丨王永健 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授 江蘇省力學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng) 江蘇省首席科技傳播專(zhuān)家

責(zé)編丨楊雅萍

審校丨徐來(lái)、林林