小薯片中的大科学

1853年，一位美国厨师为了满足口味挑剔的食客，把马铃薯切成薄片，油炸后撒上盐，于是薯片出现了。但你有没有想过，我们常吃的薯片，为什么要做成波浪形或者马鞍形？这个我们生活中常见的小零食，包含了哪些科学原理呢？

为了使薯片在长途运输中不受潮软化，用蜡密封的桶装薯片应运而生。但是这种包装十分笨重，且无法满足长期保存的需要。

随着化学的普及，人们认识到，使薯片变质的主要物质是氧氣。这是由氧原子的核外电子数目决定的，氧原子核外有8个携带负电的电子。

 氧原子共价键示意图 （供图/史金阳）

原子核外电子按照s轨道、p轨道、d轨道、f轨道（原子核外面的电子轨道从内到外分别叫作s、p、d、f）的顺序依次填充。根据能量最低原理，当轨道填充满时，化学性质相对稳定;当轨道不满时，则会倾向于丢弃或者俘获电子，使得最外层轨道填充至满额（8个）。

氧气分子由2个氧原子组成，氧原子最外层只有6个电子，所以2个氧原子将会共用2个电子，以组成共价键的方式达到外层有8个电子。但是这种共价键相对脆弱，很容易断开。断开的氧原子会与薯片上的有机物结合，发生化学反应，使其变质。

为了解决这一问题，薯片生产商选择在包装中充入化学性质相对稳定的氮气，从而避免薯片氧化变质。

然而，薄如纸的薯片是非常“脆弱”的。能否运用科学手段，使薯片变得“壮实”呢？

波浪形薯片比其他形状的薯片厚，所以它相对更为“坚固”。不过，仅仅是厚还不够。

 波浪形薯片 （摄影/史金阳）

 马鞍形薯片 （摄影/史金阳）

在材料力学中，常使用“截面惯性矩”这个概念来描述一个物体抗弯曲的能力。截面惯性矩与物体的表面积大小密切相关。波浪形的结构，增大了薯片的表面积，其截面惯性矩也大大提高。因此，波浪形薯片抵抗弯曲折断的能力更强。

而另外一种马鞍形薯片则是借鉴了建筑学中的结构——双曲抛物面。双曲抛物面是一条凸起的抛物线沿着一条凹陷的抛物线移动形成的面。

 双曲抛物面形成示意图 （供图/史金阳）

研究表明，双曲抛物面在受到从上向下的均匀压力时，它的受力沿着凸起的抛物线方向传递，而在凹陷的抛物线方向上受力较小。这就意味着，压力不是集中在某一“点”或者“线”上，而是均匀地分散到整个双曲抛物面上。当每一个部分受力都不超过它能承受的限度时，就能很好地避免因受外力导致的碎裂。加拿大丰业银行马鞍体育馆、伦敦奥运会室内自行车馆等建筑，使用的都是酷似薯片的双曲抛物面结构。

小小的薯片中渗透着化学、力学、建筑学等众多科学知识。其实，生活中的物品背后蕴含的科技智慧还有很多，只要我们善于观察，一定能发现科学的奇妙之处！

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 /周游）