薯片為何如此好吃？和它長成這樣脫不開關系！

又到一年秋游季，要說書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，心情也隨之愉悅起來。當你再次拉開薯片桶時，是否有過一瞬間的好奇：薯片為什么是這個形狀的？

薯片為什么彎曲（作者供圖）

薯片形狀的問題，似乎成了網(wǎng)紅問題，網(wǎng)絡上討論的很多[1]，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、運輸過程中更能保持不破。畢導[2]前幾年另辟蹊徑，沒有去討論馬鞍面的穩(wěn)固性，反而提出了較為無厘頭的“相切可吃理論”，確實吸睛得很。

畢導的“相切可吃”理論[2]

在《一年四百多億份，泡面除了美味，還有什么奧秘？》中[3]，我們討論了泡面的形狀，其彎曲結(jié)構(gòu)確實類似一個個“拱形”，可將外載分散出去，不怕磕碰。馬鞍面也有一個“拱形”，那么在薯片領域，馬鞍面形狀是否真的也是利用其穩(wěn)固性，從而便于制造、運輸呢？

01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的真實原裝薯片，桶裝薯片則是將土豆泥經(jīng)過模具壓制而成的。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性較大，只能裝入空氣袋中。

桶裝薯片成型模具[1]

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，市面上常見的桶裝薯片形狀其實也就三種：單曲面、雙曲面（馬鞍面）、波浪面。而常見的原切袋裝薯片（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？

薯片形狀對比（作者供圖）

事實上，在一包袋裝薯片中，或多或少都有點“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，會發(fā)生翹曲。另外，切片后的土豆由于生長的纖維等因素，它的翹曲存在著2個方向，最終就形成了馬鞍面。

不均勻膨脹（作者供圖）

所以，馬鞍面其實是原切土豆片油炸后自然形成的曲面。

02結(jié)實穩(wěn)固的馬鞍面

馬鞍面無論如何放置，都是兩邊兩點接觸地面；而單曲面開口向上時，與地面的接觸面為一條“線”，開口向下時同馬鞍面。根據(jù)下圖公式可以看出，在相同的條件下，開口向上的單曲面危險截面的彎矩（M1）要大于馬鞍面和單曲面開口向下（M2）。從這個角度來說，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)部危險位置的彎矩（M2），從而提升了強度。

兩種彎曲形狀彎矩對比（作者供圖）

但是，對于薯片來說，這種條件下的強度對比并沒什么用。桶裝薯片包裝非常結(jié)實，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也就沒那么重要了。由此可見，馬鞍面的形狀并非單純?yōu)榱烁邚姸榷O計。

圖源：攝圖網(wǎng)

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

03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，這樣做很大程度上是追求產(chǎn)品的差異化，主要體現(xiàn)在外觀和口感上。外觀方面，顯然馬鞍面更具藝術性。口感方面，馬鞍面狀受力后碎裂感更強。薯片進入口腔之后，咬合時給予薯片上下兩個方向的力，在這對力的作用下，單曲面薯片更易在凹線處碎裂成兩片，而馬鞍面薯片相當于有2條凹線，至少碎裂成4片。

碎裂線對比（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。

04馬鞍屋面

馬鞍屋面的力學原理，與薯片的碎裂原理完全不同。薯片的受力較為隨機，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，會有一個“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。

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)類似，但又有所差別。馬鞍面沿著凹線剖開后，上凹剖面（圖中藍色剖面）為受壓剖面，其最中間的凹線截面就類似拱形結(jié)構(gòu)的對稱面，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，類似一懸鏈線連接面而互相拉伸，在這個方向上，必須布置鋼筋，以增強抗拉性能。

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[4]。這種結(jié)構(gòu)應用很多，如：廣東星海音樂廳、華南理工大學體育館、波多黎各蓬斯體育館、柏林世界博覽會會議廳等。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，需像華南理工大學體育館一樣，分成4個馬鞍面，分別支撐。

華南理工大學體育館（華南理工大學官網(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)，如我國的冰絲帶國家速滑館屋頂。柔索結(jié)構(gòu)內(nèi)，沒有壓力，只有拉力。整個屋面結(jié)構(gòu)在自重及其他附屬設施的重力作用下，自然地凹下去。設計師順水推舟，成就了這樣一個馬鞍形的屋面結(jié)構(gòu)，讓力學變成了藝術。

國家速滑館馬鞍狀屋面（國家速滑館官網(wǎng)）

參考文獻

[1].為什么薯片多以近似馬鞍面（雙曲拋物面）的形態(tài)出現(xiàn)？https://www.zhihu.com/question/635339502/answer/3378790089

[2].畢導，薯片掉地上還能不能吃？我正式推翻了清華博士的“相切可吃理論”！

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

[3].王永健，一年四百多億份，泡面除了美味，還有什么奧秘？https://mp.weixin.qq.com/s/UMzQxVbf_tbtLo0mLEWQGQ

[4] 梁勝，大空間“馬鞍形”薄殼結(jié)構(gòu)的整體式覆土屋蓋體系研究，華南理工大學，2014.

作者：王永健，南京農(nóng)業(yè)大學副教授，江蘇省力學學會科普工作委員會副秘書長，江蘇省首席科技傳播專家

策劃&編輯：Tiara