生活中的力学知识之：手擀面
面条作为人类社会最主要的主食之一，深受人们喜爱。我国劳动人民在长期的吃面实践中，创造性地摸索出了纷繁复杂的面条加工方法。其中，手擀面在关中一带更是流行，形成了家家户户把面擀的盛景奇观。但是，如果仔细观察擀面的过程，就会发现一些有趣的现象：为什么要醒面？为什么擀面会卷边？为什么擀面中间容易薄？为什么煮面要加少许冷水？
对于上述问题，一般都有一些经验之谈，但是鲜有研究人员作出科学的理论解释。这不，西工大的校友张亚辉，在闲暇之余，对手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题进行了系统的实验及理论研究，向我们解说日常生活中的趣味力学现象。
手擀面为什么要醒面？理论：醒面，其实是应用了时效成形原理。简单来讲，就是将所要塑型的材料在室温或者高温下放置一段时间，达到我们所需要的材料品质。醒面的过程其实就是最常见的时效成形现象。下图为面团在时效成形过程中的微结构演化过程。
解释：在和面过程中，水和面粉混合，面粉中蛋白质吸水形成面筋，在揉面过程中面筋相互粘连最终形成粗结构面团。然而，由于初始揉面过程中，水分并不是均匀分布的，所以实际形成的粗结构面团是一种各向异性材料，可近似为水分含量大的基体区夹杂着水分含量小的干燥硬质区（如上图）。
在初步揉面过程中，不同的局部硬质区的阻碍作用导致面团塑性流动性变差；加之蛋白质大分子在外力作用下相互纠缠，亦会在面团内部会产生残余应力，进一步导致面团的力学性能变差。
经过时效处理后，水分得以均匀扩散，干燥硬质区消失。由于不再有硬质区的阻碍作用，加之蛋白质大分子的松弛重构，面团可视为各向同性材料，其塑性性能大幅度提升，从而使揉面变得十分容易，很快达到细光态。
擀面过程中为何会产生卷边？理论：擀面的原理是遵循塑性流动过程中体积不变的假设。所谓体积不变，即材料在变形过程中不论形状如何变化，其总体积认为保持不变，所以厚度的减小必然意味着平面的扩展。下图为回弹过程示意图。
解释：在擀面过程中，面片上表面在擀面杖作用下延展，延展后的上表面有弹性恢复的趋势，故在上表面会产生一个拉应力。在面片边缘区域，由于局部塑形流动，上表面的材料会补偿到下表面，从而导致下表面弹性收缩趋势远小于上表面。另外，上表面是自由面，下表面与砧板接触，面片与砧板间的摩擦力会进一步阻碍下表面的弹性恢复。由于上表面的弹性恢复，擀面后，面片会产生回弹现象，即表现为边缘的翘曲（如上图）。显然，面片越厚，上述效果越显著。在实际擀面过程中，初始阶段的平面擀面法回弹量大，中后期的卷积擀面法回弹量小，直至最后回弹完全消失。
为什么擀面中间容易薄？理论：在擀面过程中，面片中心最容易擀薄，这是擀面过程中材料塑性流动的另一个必然结果。
解释：在擀面的过程中，面片沿擀面杖擀进方向的塑性流动最大，即擀面杖擀进方向是面片的主变形方向。根据体积不变条件，延展越大，厚度减小越大。以平面擀面法为例，不论擀面方向如何变化，面片中心区域一直处在主变形方向上。显然，在同等的擀面条件下，面片中心厚度减小最大。因此，擀面的过程中，中心部分会越擀越薄。不过，为了解决这一问题，可以尝试富士山擀面法哦。
煮面过程中为什么要加冷水？一般认为，在煮面的过程中，为了避免溢锅，往往会添加少量冷水终止沸腾状态。但是，加冷水还有将面条尽快煮熟的作用。
理论：煮面的实质是面条和环境介质（水）发生热交换，从而使面条由生变熟，所以面条吸收热量的快慢则成为煮面的关键。热交换除了与温度有关外，还与不同介质间的传热效率有关。
上图给出了面条与介质的热交换示意图，沸水与气泡温度一致，然而，液体的传热效率远远大于气体（液体的热量密度远高于气体），剧烈沸腾状态下面条与水气混合介质的传热效率反而会降低。所以，此时少量添加冷水减缓沸腾程度有利于将面条尽快煮熟。
原文注：虽然张亚辉的研究算不上严格意义上的科学研究，但作者对周围环境保有的敏感力，非常值得我们学习和思考。
参考：《手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题》
来源：叁参研学旅行微信公众号（ID：sancanyanxue），作者：文在先生。文章整理自《手擀面加工过程中的非线性力学及热力学问题》，原作者：张亚辉。
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