為什麼柔軟的鬍子能讓刮鬍刀變鈍?MIT 找出關鍵要素:異質結構

如果你是男人,就一定會有刮鬍子的經驗。很奇怪的是,刮鬍刀片的材料是不鏽鋼,硬度明明就比鬍子還高,但刮了幾次之後卻會變鈍,讓我們得時常替換刀片。為什麼柔軟的鬍子會讓刀片變鈍,背後的物理機制是什麼?麻省理工學院(MIT)的材料科學與工程學系(Department of Materials Science and Engineering)對此展開研究,找出讓刀片變鈍的原因,並將論文發表在《Science》期刊上。

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研究發現:壓力會集中在裂紋,導致刀片變鈍

若用拿菜刀劈砍鐵棒,會變鈍是很好理解的,但根據 MIT 的數據,人類毛髮明明就比刀片還要柔軟 50 倍,卻會讓刀片變鈍,這是為什麼?為了找出解答,MIT 研究團隊拿自己的鬍子做實驗;刮鬍子的同時,他們透過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)拍攝刀鋒的照片,紀錄刀鋒變鈍的狀況。

研究團隊在刀鋒看到碎屑(chip),但這些碎屑不是均勻分布在刀鋒上,而是出現在某些特定的區域。此外,若將毛髮固定,讓刀鋒切的方向與毛髮方向垂直,碎屑就不會產生;若讓毛髮自由彎曲,碎屑就會產生,特別是剃刀方向與頭髮接近平行的時候。

為了找出碎屑產生的機制,研究團隊使用電腦模擬,模擬在不同切角、施力方向、刀片材質的狀況下,剃刀的磨損狀況。研究團隊發現,當剃刀切的方向與頭髮方向非垂直,剃刀的組成材料異質(heterogeneous),以及剃刀的異質結構切割到頭髮,就會導致碎屑的產生。碎屑產生後,刀片會變脆弱,裂紋就會增加,導致刀片變鈍。

研究團隊表示,這種機制為 stress intensification,若材料上有微小裂紋,施加在材料的壓力就會在這些區域放大;當小裂紋產生後,若材料屬於異質結構,亦即材料結構不規則,就會讓裂紋更容易產生碎屑,開啟刀片變鈍的惡性循環。

刀片切割毛髮所受到的應力變化。圖片來源:NIT News(Credit: Gianluca Roscioli)

降低結構的異質特性,能避免刀片變鈍

研究團隊認為,避免刀片變鈍,最基本的概念就是降低材料結構的異質特性,儘量使用同質性的材料生產刀具。目前研究團隊已申請關於刀片製程的臨時專利(provisional patent),想研發更耐用,更不容易產生碎屑的刀具。

這份論文不僅解答「為什麼柔軟物質會讓金屬刀片變鈍」的大哉問,提供產業生產切割機具的洞見,也能提供我們日常生活的一些參考,例如切菜儘量直著切,不要斜切;至於刮鬍子嘛……我們還是照平常的方式刮好了,因為我們不可能把每一根鬍子固定,讓刀片一直與鬍子保持垂直啊!

參考資料

Science》、《MIT News

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Wallpaper Flare CC Licensed。)

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