【樂享科學】菜刀是怎麼切開食物的?背後的力學原理你了解嗎?

刀為什麼能把食物分兩半？

菜刀是每個人家中必備的工具，沒有它，我們就沒辦法高效快捷地製作各式美味佳餚。

在市場上，我們可以買到五花八門的刀：片刀、文武刀、斬骨刀、殺豬刀、剔骨刀、麵包刀等等。不過，你知道這些菜刀背後蘊含的力學原理嗎？

刀是如何切開食材的

我們可以很輕易地用一把刀切開一塊豆腐，也可以稍微再使點勁切開一塊牛肉。如果我們的力氣再大點，還可以剁開一根骨頭。

那麼，在切開這些食材的過程中，菜刀的刀刃處究竟發生了什麼呢？

現在，我們選取一塊豆腐（韌性較強）以及一塊巧克力（韌性較差）作為研究對象，用一把普通的刀分別將它們切成兩半，看看是什麼情況吧。

切豆腐是非常容易的，圖片來源騰訊

切豆腐

首先我們要清楚，即使是我們在市面上能買到的最鋒利的刀，它的刀刃部位仍然具有一定的厚度。

刀刃的局部放大圖，可以看到很明顯的厚度以及使用後的磨損痕跡。圖片來源騰訊

在開始切豆腐時，倘若我們將刀刃與豆腐接觸的地方放大後再觀察，就會發現刀刃下方的那一部分豆腐受到了刀刃向下平壓的作用力，從而向下移動了一小段距離。

此時，由於這一部分豆腐的移動，被平壓區域附近的豆腐同時受到了拉伸力和剪切力的作用。

用力學術語來說，那就是由於外力導致的豆腐局部變形，使得在刀刃附近的豆腐同時受到了拉應力和剪應力的共同作用。

刀刃將一部分豆腐壓了下去，從而在兩側出現了受力區，圖片來源作者

如果我們繼續豎直向下切，那麼刀刃兩側豆腐所受到的拉伸力和剪切力逐漸增加，當其中某一部位的受力超過了豆腐的分子間作用力時，豆腐便會在這一部位發生破壞，從而產生了切面。

接著，隨著刀的厚度從刀刃到刀身逐漸增大，刀的側面還會對豆腐施加水平向外的壓力，從而繼續分離切面。

豆腐出現初始的破壞，圖片來源作者

類似的過程一般對應於韌性較強的食材，例如肉類、麵團等等。

切巧克力

切完豆腐之後，我們換上巧克力來試試！

由於巧克力質地較脆，韌性較差，因此不會和豆腐一樣出現比較明顯的局部變形。

在刀刃開始向下平壓巧克力外表面之初，刀刃下方的巧克力只需要稍微向下移動一小段距離，就會使附近巧克力受到的作用力超過分子間作用力。於是，裂紋便形成了，並迅速向外擴展，直到整個巧克力裂開。

因此，我們有時候會發現，不需要用刀將巧克力全部切下去，便可以使之一分為二。

巧克力等脆性材料可以出現迅速擴展的裂紋，圖片來源作者

和巧克力一樣韌性較差的食材還有南瓜（從外皮方向切）、大骨頭等等。

普通菜刀不好切該怎麼辦

廚房裡的食材豐富多樣，例如具有高韌性纖維的牛肉，非常硬的大骨頭以及很容易變形和掉渣的麵包等等，倘若我們用普通菜刀來切它們，那可太費勁了，這又該怎麼辦呢？

這個時候就是專業刀具派上用場的時候啦！例如，斬骨刀可以輕易地劈砍骨頭、水果刀可以輕鬆切開各類水果、麵包刀可以完美切割麵包、剔骨刀則可以靈活地去掉骨頭上的碎肉等等。

那麼，這些專業刀具又涉及哪些力學原理呢，我們來看看吧！

斬骨刀：提高動能

斬骨刀是專門用來劈砍大骨頭的刀，這種刀的刀身較厚，刀刃較鈍，因此整體重量偏大。

在斬骨時，大師傅們一般氣沉丹田，站穩重心，然後手拿斬骨刀，掄圓了胳膊使勁往下一砍，堅硬的骨頭便應聲而斷。

在這個過程中，掄圓胳膊是為了盡力提高斬骨刀的高度，從而在劈砍時儘量賦予其足夠的動能。

這不正是我們初中物理課本中機械能的轉化原理嘛（初中物理人教版八年級下冊）：

一個物體從高處下落，物體的重力勢能轉化成了動能……動能和勢能可以互相轉化。

另外，由於骨頭較硬，較鈍的刀刃可以保證斬骨刀在劈砍時不會打滑，也不會輕易崩碎。

斬骨刀的威力，圖片來源見水印

殺豬刀：增大切割行程

如果要處理大體積的肉塊，我們該怎麼辦呢？是用3米的長刀直接切塊嗎？廚師們才不會那麼笨呢，他們選擇使用專用的殺豬刀（當然啦，用殺豬刀處理牛羊肉也是可以滴）。

和常見的直刃刀不同，殺豬刀具有彎曲的刀刃，就像是一輪彎月，細細打磨後，刀刃上仿佛還泛著寒光。電影《國產凌凌漆》裡，周星馳扮演的豬肉佬就有這麼一把威武霸氣的殺豬刀。

殺豬刀，圖片來源騰訊

豬肉佬用殺豬刀幹掉了金槍客，圖片來源騰訊

即使是被打磨得相當鋒利的直刃刀，我們也很難用它刺入肉製品，並繼續進行下一步的切割操作。

而殺豬刀的優勢在於，彎曲的刀刃可以使廚師更靈活地發力，同時增加了對肉製品的切割行程。

因此，豬肉佬可以憑藉殺豬刀那銳利的刀刃輕易地刺穿皮肉，然後使勁往下一划，便可以將一塊肉整齊地割下來。

在軍事方面，大名鼎鼎的尼泊爾彎刀與蒙古馬刀也都採用了這種彎曲的刀刃，殺傷力頗高。

蒙古刀，圖片來源新浪

麵包刀：改切為鋸

喜歡吃切片麵包的同學可能嘗試過自己切麵包片，卻發現家用的普通菜刀無法勝任這份工作。由於麵包本身質地鬆軟，並且含有大量不容易切斷的纖維，因此，使用普通菜刀切麵包的話，很容易使麵包嚴重變形，不復之前鬆軟的形態。既然我們無法採用傳統的按壓切割法切麵包，那我們就改成鋸切吧！麵包刀正是一把小小的鋸子，它的刀刃部位有很多方向相反的小鋸齒。

在切麵包時，只需用麵包刀在麵包上輕輕拉動，便可以將纖維輕鬆鋸斷。這樣雖然會掉一些麵包渣，但卻可以完美地保持麵包鬆軟的狀態。

美劇《史密斯夫婦》中的切麵包鏡頭，圖片來源見水印

用麵包刀切蛋糕，圖片來源豆瓣

同樣地，我們還可以使用麵包刀來切西紅柿等汁水較多的水果和蔬菜，避免由於擠壓而損失大量汁液。

用麵包刀切西紅柿，圖片來源廚房故事

其實，我們家中經常使用的普通菜刀，在刀刃處存在大量的細微磨損，這些磨損也可以起到鋸齒的作用，幫助我們切開食物。

怎麼樣，菜刀背後的力學知識get到了嗎？我們來複習一下吧：

刀刃使附近的食材產生了局部變形，從而對其產生了複雜的作用力。當這種作用力大於食物的分子間作用力時，食材就被切開了；2. 斬骨刀通過增加高度和自身重量來增加劈砍時的動能；

殺豬刀利用彎曲的刀刃實現切割時的靈活性以及較大的切割行程；

麵包刀可以快速鋸開食材，防止食物出現明顯的變形。

沒錯，這些都是來自於初中二年級物理課本中有關力學（第七章、第八章等）和機械能（第十一章第四節）方面的知識。

沒想到吧，力學在生活中的應用這麼有趣。你還有什麼好玩的體會和想法，歡迎留言和大家一起分享！

最後要提醒大家，刀是危險物品，在使用時一定要注意安全，最好是在家長的監護下操作，防止誤傷哦！

參考文獻：

[1] 八年級物理，義務教育教科書，人民教育出版社.[2] 黃建洪. 對鋒利刀刃磨損機理和熱處理工藝的探討[J]. 兵器材料科學與工程, 1988(03):24-33.審核專家：張宏寶，北京師範大學物理系副教授。

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