模型揭示了为什么切西红柿比切丁效果更好

如果你和我有什么相似之处，你有一套菜刀太钝了，你可以调换刀柄和刀刃，手指上没有明显的效果。然而，这些刀子仍然可以切开-你只需以较小的向下压力锯开那个柔软的西红柿即可。令人惊讶的是，尽管物理学家对为什么用刀锯有助于切割软材料有大致的了解，但没有人真正研究过细节。幸运的是，这一疏忽已经得到纠正，你现在可以使用-正如某些电台人士所说的-科学的力量来优化你的切割技术。

凝胶-西红柿是一种有皮的凝胶-属于一个有趣的类别。凝胶是液体(通常是水)，至少如果你根据体积来决定的话。然而，凝胶并不是真正流动的，因为液体包含在聚合物网络中。你可以说，凝胶有点像海绵：如果你用力挤压凝胶，水分就会被排出，当你放松握力时，水就会被吸回网络中，但并不是所有的凝胶都会在干燥后保持形状，而干燥的海绵仍然保持其结构。

虽然凝胶有弹性，但它们仍然是易碎的。如果你拉伸凝胶，凝胶就会变得紧张。只要张力低于一定的极限，当你停止拉伸它时，它总是会恢复到原来的形状。这一点成立的最大应变称为弹性极限。要切割凝胶，应变必须高于弹性极限。

当应变超过弹性极限时，聚合物网络融化，形成嵌入水中的微小颗粒。当应变再次降到极限以下时，聚合物网络可能会发生改革，但不会恢复到原来的形状。切割基本上是聚合物网络保持断裂的边界。

要切割聚合物，必须用刀片向下压入，这会使聚合物变形。这导致水从凝胶中排出以在刀刃和聚合物网络之间形成液层。这意味着切割凝胶是一个流体动力学问题。

理解流体力学问题的关键是求出边界条件。从本质上说，所有的问题都有边缘，如果你知道边缘发生了什么，你就可以用这些知识来计算其他地方正在发生的事情-尽管你可能需要一台超级计算机来计算。

在这种情况下，我们有一个实心刀片，它沿着一个轴滑动，同时缓慢向下移动以切片。这相当于叶片被固定，凝胶被移动，研究人员就是这样设置他们的解决方案的。与实心刀片接触的极薄液体层随刀片移动(这称为防滑条件)。在其他地方，凝胶在应变等于临界应变的地方再次开始表现出弹性。在该位置，流体随凝胶而不是刀片移动。

溶液将显示从叶片到应变边界的流体/凝胶速度平稳增加。同样，由水的粘度携带的应变将从叶片向外减小到临界应变边界。那么那个位置到底在哪里呢？这取决于凝胶移动的速度(或者实际上，刀片水平移动的速度)。此外，切割速度(刀片垂直移动到凝胶中的速度)取决于凝胶分离的速度。

从某种意义上说，这使得边界条件定义得很清楚。但在另一种意义上，它是相当不稳定的。

基于这些边界条件，研究人员能够立即得出结论：凝胶需要拔出刀片(例如切片)，单纯的向下压力(切丁)通常不足以启动切割(比如让孩子切开西红柿后西红柿会爆炸)。现在，西红柿的皮改变了这一点，但是模型不包括西红柿的皮，所以不要从字面上理解西红柿的例子。

研究人员的数值解显示，只有当刀子向下切割的速度低于水平锯切速度的24%时，才能很好地定义后一种边界条件(应变处于超过弹性最大值门槛的平滑界面)。在这些切割速度下，切割边界与刀刃的距离是恒定的，两者都平稳地传播到凝胶中。在更高的速度下，边界仍然存在，但它不断波动，有时从刀口膨胀出来，有时向刀口塌陷。换句话说，当向下速度与拉伸速度相比太高时，切割结果变得不可预测-西红柿爆炸。

这部作品最令人惊叹的部分是它的简洁性。好的，流体力学绝非简单，但另一种选择就是了解裂纹的扩展。这是一种想法，即在某个随机位置-通常是一个微小的缺陷-材料开始断裂。断裂以随机的方式扩展，耗尽了从刀具获得的应变能。裂缝会延伸到哪里，裂缝会有多长，会形成多少裂缝？这些都是随机的过程，足以让任何人分心。

这种解决方案不依赖于裂纹形成和扩展的随机性，因此更容易进行定量测试。应该可以可视化流体层的形成，聚合物的熔融，并在不同的切割速度范围内完成所有这些操作。