各种各样的食材，都有什么力学“脾气”？

撰文 | 杨灿辉 (南方科技大学力学与航空航天工程系)

你有没有想过一个问题：当我们说一种食物“好吃”的时候，我们到底在评价什么？

答案其实可以拆成两个维度。一个是风味，即酸甜苦辣咸，焦香、果香、肉香，这些由化学分子触发我们的味觉和嗅觉，属于化学的范畴。另一个是口感，即脆的、韧的、糯的、滑的、沙的，这些由食物的物理性质决定，属于力学的范畴。两者缺一不可。如果感冒鼻塞，嗅觉失灵，再好的美食也索然无味，这是化学层面的缺失。但如果一个人没有牙齿，只能吃流食，那许多美食的体验也会荡然无存。这是因为咀嚼过程中的力学感受，是美味不可或缺的一部分。《舌尖上的力学》栏目要聊的，正是后者。从力学角度去剖析食材的“脾气”，食物为什么脆、为什么韧、为什么入口即化？

不过先别急着动嘴。一道美食从食材到餐桌，要走过很长的路。食材本身的性质、处理方式、烹饪过程中的物理化学变化，每一个环节都会影响最终美味的品尝。只有把这些拆解清楚，我们才能真正理解，入口那一刻的“好吃”究竟从何而来。

图1 日常生活中的食材，从左到右依次为固体(如饼干)、液体(如果汁)和凝胶(如果冻)(图片来源于网络)

我们先从食材本身的材料力学说起。如图1所示，根据物理状态，食材大致可以分为三类：固体、流体和凝胶。固体具有确定的形状和体积，能抵抗剪切力，受力后发生弹性或塑性变形。饼干、牛肉干都是代表。流体具有确定的体积但没有固定形状，易流动，无法抵抗剪切力。水、果汁、清汤都属于这一类。凝胶则介于两者之间，是一种液体被三维聚合物网络“锁”住，形成的一种类固体，有形状、有弹性，但主要成分通常是液体。果冻、布丁、嫩豆腐，都是凝胶的典型。

三类食材，各有各的力学“脾气”。我们先从固体食材开始。

你或许想不到，一根干的意大利面里藏着一个拿过诺贝尔奖(虽然是搞笑版)的力学难题。先来做这样一个实验。如图2，取一把干的意大利面，双手捏住两端，慢慢弯曲。啪！面断了。数一下断成了几段？大概率是三段，甚至四段、五段。有没有断成两段的情况呢？几乎从来没有。这不是你的手艺问题。诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼 (Richard Feynman) 也遇到过同样的困惑。某个晚上，他和朋友 (Danny Hillis) 在厨房里煮意面时发现，无论怎么掰，干意面就是断不成两段。这个问题后来被称为“费曼意面难题”。

图2 掰断意面(图片来源于网络)

直到2005年，两位法国物理学家Audoly 和 Neukirch才在《物理评论快报》 (PRL) 上给出了答案[1]。他们用高速摄影捕捉了意面断裂的瞬间，因为整个断裂过程只有0.2 ms到0.5 ms，肉眼根本来不及看清。画面显示：当你弯曲意面到极限时，它会在最薄弱处断裂；但断裂发生的瞬间，原本弯曲的意面突然弹直，释放出一道弹性波，在剩余的两段中传播。这股“回弹波”产生的弯曲应力，超过了意面材料的强度极限，于是引发了第二次、第三次断裂，这就是意面总是碎成多段背后的力学原理。这项工作后来获得了2006年搞笑诺贝尔物理学奖。

故事还没完。2018年，麻省理工学院的科学家们发现，如果掰意面的时候先用力扭转 (像拧麻花一样)，再弯曲，就能让它干脆利落地断成两段。扭转产生的应力波会抵消弯曲波的破坏效应，从而抑制级联断裂[2]。之后，有学者进一步深入研究了干意面弯到什么程度会断、会断成几段的问题，给出了预测意面断裂极限曲率和断裂段数的公式[3]。

一根意面的断裂，背后涉及的是弹性模量 (材料有多“硬”)、强度 (需要多大的力才能破坏它) 和断裂韧性 (抵抗裂纹扩展的能力) 等力学概念。当然，也跟意面的几何尺寸、边界条件等因素有关。例如，如果意面足够短，它就能轻易地断成两段。这些都是力学。

掰意面引出了固体食材的两种典型“性格”。一种是脆性。薯片、硬糖、干的挂面，都属此类。它们硬，但脆。一旦载荷超过极限，裂纹便飞速扩展，断口平整，往往还伴随着清脆的“咔嚓”声；这是食材变形过程中存储的弹性应变能在瞬间释放为声波。把一片薯片一掰为二，或者放入口中轻轻咬下，那一声响就是脆性的直接体现。另一种是韧性。牛肉干、牛筋、鱼干同样坚硬，但韧得多。断裂前能承受很大的变形，需要消耗较多能量才能撕裂，断口通常粗糙而不规则。嚼牛肉干时之所以费牙，正是因为牙齿需要反复撕扯、碾磨，才能把那些强韧的纤维组织切断。两者的差别可以这样理解：脆性材料在受力时变形很小，载荷一旦达到极限就迅速崩裂；韧性材料则相反，它通过较大的变形来吸收和耗散能量，因此不容易突然断裂。

除了脆与韧，食材的口感还受到其他多种力学参数共同支配：硬度决定了第一口咬下去的阻力；弹性模量反映了材料抵抗变形的能力；回弹性决定了食物被压下去之后能否回弹，比如Q弹的鱼丸；黏性则让某些食物吃起来“拉丝”或者“黏牙”，比如刚出炉的披萨或糯米糍。这些参数的不同组合，造就了固体食材千变万化的口感。

接下来聊聊液体食材。

液体食材的力学主要涉及两个核心概念：黏度 (描述内部流动阻力) 和表面张力 (描述表面分子的内聚行为)。水很稀，蜂蜜很稠，就是黏度在起作用。挂在杯壁上的“酒泪”、咖啡渍边缘那圈深色环，背后都是表面张力在“作祟”。

图3 牛顿流体(如水)和非牛顿流体(如蜂蜜)(图片来源于网络)

根据黏度是否随搅拌快慢 (剪切速率) 变化，液体可分为牛顿流体与非牛顿流体，如图3所示。牛顿流体最为简单，其黏度是常数，不随搅拌速率变化。水、澄清的果汁、食用油，均属此类；但这类液体在食物中反而是少数派。非牛顿流体则复杂得多，绝大多数液体食物都归于此，如酸奶、蜂蜜、各种酱料。其中，黏度随剪切速率增大而降低的，称为剪切稀化；黏度随剪切速率增大而升高的，称为剪切增稠。

剪切稀化的典型是番茄酱、酸奶、果泥。当你用力摇晃番茄酱瓶时，它变稀了，唰地流出来，这就是剪切稀化。原因是番茄酱内部含有大量长链高分子，静止时高分子链缠结在一起，黏度很高；搅拌时高分子链被剪切力拉直、取向、解缠结，流动阻力骤降，黏度随之下降。所以，使用前“摇晃番茄酱”不是玄学，是力学智慧的一种体现。

剪切增稠的典型是玉米淀粉与水的混合物。慢慢搅动时它尚可流动，快速搅拌时阻力突然增加，混合物变得坚硬；人甚至可以在其表面奔跑，实现“水上漂”。这是因为高剪切速率下，悬浮的淀粉颗粒来不及重新排列，互相卡死，形成临时的固体结构。这一机制近年来被广泛研究，在柔性防冲击护具等方面具有很好的应用前景。

除上述两类之外，还有一类宾汉 (Bingham) 流体，如蛋黄酱、牙膏等。它们具有屈服应力，只有当外力超过某个临界值后才开始流动，在此之前则像固体一样保持形状。蛋黄酱能稳稳立在勺子上，用力一甩才滑落；牙膏在挤压时受剪切而流动，挤到牙刷上后又停止流动、保持形状。

大部分我们熟悉的液体食物，番茄酱、酸奶、浓汤、面糊等，其实都在用自己的方式“对抗”着简单流动。它们是日常生活中非牛顿流体的鲜活例子。

图4 “酒泪”现象和咖啡环效应丨图片来源于网络

表面张力在餐桌上随处可见，如图4所示。轻轻晃动葡萄酒，杯壁上的液膜因酒精挥发快于水，导致上方液膜表面张力高于下方，在马兰戈尼 (Marangoni) 效应驱动下，下方酒液被向上拉拽；当重力最终战胜表面张力，液滴便沿杯壁滑落，形成“酒泪”或“挂杯”。

滴落的咖啡晾干后留下的深色边缘环，则是另一套机制：液滴边缘蒸发更快，且接触线被钉扎固定，内部液体不断向外流动以补充损失，形成毛细补偿流，将溶质持续带向边缘；水分蒸发殆尽后，溶质便沉积在最初接触线上，形成“咖啡环效应”。

最后我们来聊聊凝胶类食材。

凝胶由聚合物网络和溶剂组成。溶剂是水，称为水凝胶；溶剂是油，称为油凝胶。食材中的凝胶绝大多数属于水凝胶。根据这一定义，人体绝大部分的组织和器官其实也是水凝胶，主打一个“吃啥补啥”了。

果冻、嫩豆腐、布丁，都是典型的水凝胶例子。把一块果冻放在手心，它有形状、有弹性，这是聚合物网络在起作用；但它的含水量往往超过90%。本质上，这是一块“固体的水”，兼具固体与液体的性质：网络赋予它固体的形态与承载能力，水赋予它液体般的分子迁移与扩散能力。

水凝胶的力学性能，主要由三个关键因素决定。第一是交联密度，即高分子链之间交联点的多少 (好比一张渔网的节点)。交联越多，网络越密、越刚，材料就越硬。卤水点豆腐便是很好的例子。卤水中的钙离子和镁离子将大豆蛋白质分子链交联成三维网络，把水分子锁在其中。点卤越多，交联点越多，网络越密实，豆腐越硬。从嫩豆腐到老豆腐，正是交联密度逐渐递增的结果。

第二是含水量。水通常是高分子材料的塑化剂。干食材逐渐吸水时，水分子插进聚合物链之间，撑开链间距，削弱链间相互作用，使材料变软、变柔韧。牛肉干与鲜牛肉的硬度差异，根源正在于此。但吸水并非越多越好，例如面条煮得过久，含水量过高，高分子网络被过度稀释，力学性能大幅下降，面条失去筋道，一夹就断，入口软烂。

第三是交联类型。化学交联不可逆，交联点如同“打死结”；物理交联可逆，如同“打活结”。绝大多数天然食物凝胶，如肉、果胶等，属于物理交联。因此烹饪能显著改变它们的力学性能。加热破坏物理交联，网络解体，材料软化甚至液化。

图5 QQ糖和果冻(图片来源于网络)

理解了这三个要素，一个有趣的问题便有了答案。如图5所示，QQ糖和果冻的化学成分相似 (都是水+明胶或果胶网络)，为什么口感天差地别？答案就在交联密度和含水量上。QQ糖是含有高浓度、高交联聚合物网络的水凝胶，含水量通常在10%到20%之间，聚合物链密集，交联点多，网络紧凑结实，口感韧而耐嚼。果冻是含有低浓度、低交联聚合物网络的水凝胶，含水量可达70%到95%，网络稀疏柔软，入口即化，几乎不需要咀嚼。化学成分可以完全相同，仅仅是网络结构和含水量的差异，口感便从“韧”变成了“嫩”。这就是“结构决定性能”的典型体现，也是力学最核心的思想之一。

食材的力学性能千差万别：意面硬而脆，牛筋硬而韧；水稀蜜稠；番茄酱剪切变稀，蛋黄酱有屈服应力；QQ糖嚼劲十足，果冻入口即化。这些差异的根源，都可以归结到固体、液体、凝胶三种状态的力学规律上。而我们每天吃饭的过程，本质上就是在用口腔对食材进行一场又一场力学测试。下一次咬下一口食物时，不妨问问自己：我刚刚测试的是哪种力学性能？

当然，这只是一个开始。食材被加工、被烹饪之后，它们的力学性能还会发生翻天覆地的变化。这些变化背后的原理，我们留到后面继续聊。

参考文献

[1] Audoly B，Neukirch S. Phys. Rev. Lett.，2005，95：095505

[2] Heisser R et al. Proc. Natl. Acad. Sci.，2018，115：8665

[3] Zhang Y et al. Theoretical and Applied Mechanics Letters，2022，12：100347

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