安徽省肥东第一中学  汪伟辰 牛 阳

指导教师   汪玉强 牛道平

我在厨房中学着做菜的时候，发现不同的的切菜刀在切同一种类菜时，所需用的力有很大的差异，我问过别人为什么刀会有锋利和钝之分，他们也回答不出其所以然。当我在高一学习过力的合成与分解之后 ，再结合初中所学的压强知识，才知道刀的切菜过程从根本上说有两个阶段：第一个是切，刀刃压强起主要作用；第二是分，刀面对外挤压力起主要作用。

    每次过程总是先从刀刃压强切断开始：当我们用的力大小一定时，刀刃的与菜的接触面积越小压强越大，这就要求刀刃在加工时磨得尽可能锐利，保证其与菜的有效作用接触面积尽可能小，使菜能轻松切断。刀面对外挤压力作用效果示意图如图一，简化后可认为F₁=F₂=F/2sin（α/2）。这样，在工艺就要求刀面的夹角越小，在相同作用力的推动下对外的挤压力越大。

我按照这样的思路对家中的厨刀进行研磨，把夹角磨得很小，期望它能很锋利，可是实际上并不是我所想象的那样，在这种状态时刀刃有时根本就不锋利，有时刚使用时很锋利，但不耐用，用不了几下，刀又变“钝”了。

刀是如何锋利的呢？我上市场认真观察了一些厨刀，发现不同用途的刀，其刃形状也有所不同。如“野狼厨圣”套刀中的三种刀，分别为斩骨刀、片刀和熟食刀。其中斩骨刀和片刀外观基本相同，只是纵切面有些尺不同，刀的重量也就不相同了。其它品牌的刀具也是分这几种用途，只是在刀面的外观大小、形状上有所变化，材质上有不锈钢、碳钢、合金钢之分。

在片刀图片中，可看出刀面上的四个不同的色泽带。自上而下分别为：明亮的刃口，稍暗的刃部，灰白的刀面和灰色的刀身。从观察可把刀的横切面分成四个测量点，如右图中的1、2、3、4。其剖面结构并不象书本理论所说的一样，又是为什呢？我把以上三种刀具的有关数据进行了测量。

“野狼厨圣” 斩骨刀数据表

（单位：长度mm，角度：度）

“野狼厨圣” 片刀数据表

（单位：长度mm，角度：度）

“野狼厨圣” 熟食刀数据表

（单位：长度mm，角度：度）

仔细观察我磨过的刀，发现其不锋利的原因是：刀在研磨时是沿着刃部的角度进行的，角度很小（≤6°），再加之磨刀的动作不可能绝对呈一条直线，以及磨刀石表面不是平面，而是有一定弧度等因素，当刀磨到刃口钢薄到一定时，其强度就不能保证在手工研磨时保持形状，也就是说经常会有“卷口”现象，这样刀就会越磨越钝，且加速磨损。就算在磨刀时非常注意，没有“卷口”，而在使用时不能保证手的动作是直上直下，而刃口的强度又不足，在使用中只要稍有侧移或偏摆动作，就容易产生“卷口”，刀的刃中与食物接触面积增大了，使用是就感觉就是刀迅速变钝。

为了使磨出的刀刃不“卷口”且不容易变钝，就要将刀刃的夹角保持一定的大小。从上表可以看出，斩骨刀在使用中需承受的力大，要使刀刃有较高的强度，它的夹角就大些；为了克服夹角大较费力的缺点，采用质量较大的刀身，利用惯性切割强度大的物体。切刀使用中需承受的力范围最广，要切割的食物从动物的小骨到新鲜蔬菜，为了达到既省力又有一定强度的要求，其角度也就居中。熟食刀要加工的食物一般强度较小，同时在分切时又要保持其形状，不能用大力，就要求刀刃省力，它的就夹角最小。

    再将菜刀的刀刃磨了一次，在刀总宽8~9Cm的情况下，使刀背与磨刀石面保持三指高（3~4Cm），这样磨出的刀刃夹角约为16°左右，观察没有出现“卷口”，使用时感到很锋利，磨一次能用数周时间。我为研究的成功而兴奋。

但刀刃为什么都有一定的弧度，而不是简单的容易加工的直线呢？我在用切刀切冻结肉块时要用很大力气，常采用剁的方式，切出的肉不成规则形状。家长教我要用推拉刀的方式就不需要剁，在操作中感到推拉刀要比直按的方法省力得多。这里的力学原理 又在那儿？

    由于刀刃呈弧形，在用水平推拉时，受力可简化如图三。其中F是手的作用力，N是刀刃形成的压力，即切割的力量，可以根据所学的力学推算出N=F/sinα。刀刃的长度只有180毫米，而曲率半径为660毫米，在水平推拉时，二端最大夹角不超过15°，对应sinα≤0.137，相对应力的分解即可得到的结论是：刀刃对食物的压力是手作用力的几倍以上！因而切菜时采用推拉的方式比直按更加省力。在推拉切割过程中，由于刀刃的弧度关系，夹角α会变小，实际上就更省力。这就是三十六计中的“拖刀计”事倍功半的来由吧。

    熟食刀为什么又要在刀刃上加上凸起形状？这主要是熟食的强度较小，经不起大力挤压，有了凸起结构，部分刀锋能在较小压力时以较大压强进入熟食内，再经过刀身的推拉，就能用较小的力切割开熟食，并保持食物形状。

    在加工一些强度较小，柔软细密的食物如豆腐干时，当进入一定深度后常有很大阻力，这不可能由被加工物强度所引起的，是什么原因造成的呢？从锯条交错的锯齿宽于锯身，使锯条不与被加工物产生强大磨擦力的启发，是不是被加工物与刀面磨擦而产生阻力？先用刀片豆腐干阻力很大，在刀面上涂上一些色拉油后再片，阻力变小了，证实了阻力是磨擦力猜想。为了进一步验证柔软细密的食物阻力的成因，先把刀蘸水后切皮蛋，每切一刀蘸一次水时阻力很小，皮蛋不粘刀。如不蘸水阻力就会增大，切出的皮蛋粘在刀上，说明这类食物切割阻力增大的主要原因，是食物与刀面之间的磨擦造成的。

   刀刃边缘是规则光滑的，不可能做得像锯齿一样。在切割柔软细密的食物时，加工物与刀面之间基本没有空气进入，大气压使加工的食物紧帖在刀上，切得越深接触面积越大，压力越大，磨擦阻力越大，有时用细线勒断比用刀切会省力。如果在刀面上加工出一些平滑的倾斜细槽，让空气进入加工物与刀面之间，就能减少出现阻力增大问题。

    切割物体除了简单的受力情况之外，还有那些决定因素呢？从食物的强度来看，蔬菜等强度较小的用刀直按下去就能切断，受力示意见图四。O点是手的虎口位置，F为手提供的动力，N是刀刃对食物的压力；切割时每次消耗的功为W₁=N×S₁，S₁是刀刃下移的距离。而S₁一般只有1~3Cm，手能提供的有用动力有限，因而W₁相对较小，人感受到轻松。

对于有一定强度的食物如新鲜肉类，如用刀直按下去就很难一次切断，常采用推拉方式，受力示意见图五，切割时每次消耗的功为W₂=f×S₂，其中S₂为刀的水平移动距离。因刀身长一般为15~20 Cm，则 S₂正常为10 Cm左右，且此时用力大于直切时力量，以人握力600N、手宽10Cm计算，单手握刀所能产生的扭矩为M≤20N×m（握力分配应为：支点O不小于三分之二，动力F不大于三分之一），根据力的分解和功的计算公式可算出W₂≤4J。同理可推出W₁≤0.9J。

2004年1月