小薯片中的大科學(xué)

1853年，一位美國(guó)廚師為了滿足口味挑剔的食客，把馬鈴薯切成薄片，油炸后撒上鹽，于是薯片出現(xiàn)了。但你有沒(méi)有想過(guò)，我們常吃的薯片，為什么要做成波浪形或者馬鞍形？這個(gè)我們生活中常見(jiàn)的小零食，包含了哪些科學(xué)原理呢？

為了使薯片在長(zhǎng)途運(yùn)輸中不受潮軟化，用蠟密封的桶裝薯片應(yīng)運(yùn)而生。但是這種包裝十分笨重，且無(wú)法滿足長(zhǎng)期保存的需要。

隨著化學(xué)的普及，人們認(rèn)識(shí)到，使薯片變質(zhì)的主要物質(zhì)是氧氣。這是由氧原子的核外電子數(shù)目決定的，氧原子核外有8個(gè)攜帶負(fù)電的電子。

?氧原子共價(jià)鍵示意圖 （供圖/史金陽(yáng)）

原子核外電子按照s軌道、p軌道、d軌道、f軌道（原子核外面的電子軌道從內(nèi)到外分別叫作s、p、d、f）的順序依次填充。根據(jù)能量最低原理，當(dāng)軌道填充滿時(shí)，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定;當(dāng)軌道不滿時(shí)，則會(huì)傾向于丟棄或者俘獲電子，使得最外層軌道填充至滿額（8個(gè)）。

氧氣分子由2個(gè)氧原子組成，氧原子最外層只有6個(gè)電子，所以2個(gè)氧原子將會(huì)共用2個(gè)電子，以組成共價(jià)鍵的方式達(dá)到外層有8個(gè)電子。但是這種共價(jià)鍵相對(duì)脆弱，很容易斷開(kāi)。斷開(kāi)的氧原子會(huì)與薯片上的有機(jī)物結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其變質(zhì)。

為了解決這一問(wèn)題，薯片生產(chǎn)商選擇在包裝中充入化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的氮?dú)?，從而避免薯片氧化變質(zhì)。

然而，薄如紙的薯片是非常“脆弱”的。能否運(yùn)用科學(xué)手段，使薯片變得“壯實(shí)”呢？

波浪形薯片比其他形狀的薯片厚，所以它相對(duì)更為“堅(jiān)固”。不過(guò)，僅僅是厚還不夠。

?波浪形薯片 （攝影/史金陽(yáng)）

?馬鞍形薯片 （攝影/史金陽(yáng)）

在材料力學(xué)中，常使用“截面慣性矩”這個(gè)概念來(lái)描述一個(gè)物體抗彎曲的能力。截面慣性矩與物體的表面積大小密切相關(guān)。波浪形的結(jié)構(gòu)，增大了薯片的表面積，其截面慣性矩也大大提高。因此，波浪形薯片抵抗彎曲折斷的能力更強(qiáng)。

而另外一種馬鞍形薯片則是借鑒了建筑學(xué)中的結(jié)構(gòu)——雙曲拋物面。雙曲拋物面是一條凸起的拋物線沿著一條凹陷的拋物線移動(dòng)形成的面。

?雙曲拋物面形成示意圖 （供圖/史金陽(yáng)）

研究表明，雙曲拋物面在受到從上向下的均勻壓力時(shí)，它的受力沿著凸起的拋物線方向傳遞，而在凹陷的拋物線方向上受力較小。這就意味著，壓力不是集中在某一“點(diǎn)”或者“線”上，而是均勻地分散到整個(gè)雙曲拋物面上。當(dāng)每一個(gè)部分受力都不超過(guò)它能承受的限度時(shí)，就能很好地避免因受外力導(dǎo)致的碎裂。加拿大豐業(yè)銀行馬鞍體育館、倫敦奧運(yùn)會(huì)室內(nèi)自行車館等建筑，使用的都是酷似薯片的雙曲拋物面結(jié)構(gòu)。

小小的薯片中滲透著化學(xué)、力學(xué)、建筑學(xué)等眾多科學(xué)知識(shí)。其實(shí)，生活中的物品背后蘊(yùn)含的科技智慧還有很多，只要我們善于觀察，一定能發(fā)現(xiàn)科學(xué)的奇妙之處！

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 /周游）