申明：此乃搞笑科普一篇，非學術論文。請各位看官輔以娛樂心態(tài)看之，看過且過～

手搟面加工過程中的非線性力學及熱力學問題

作者：張亞輝

Unité de Mécanique, ENSTA-Paristech, UniversitéParis-Saclay, 828 BD des Marechaux, 91120 Palaiseau

摘要

本文對手搟面加工過程中涉及的非線性力學及熱力學問題進行了分析，主要涉及：I.揉面過程的時效成形原理；II.搟面過程中的非線性變形機理；III.煮面過程中的火候控制問題。結合分析結果，本文對如何做出一碗可口筋道的手搟面給出了可行性建議。

1.引言

面條作為人類社會最主要的主食之一，自問世以來廣為流傳，深受人們喜愛。其形態(tài)各異，或細如龍須，或?qū)捜缪潕В黄涑苑ò俅睿�或略施榨菜，或魚頭高湯。一碗面條下肚，生活便有了意義。我國勞動人民在長期的吃面實踐中，創(chuàng)造性地摸索出了紛繁復雜的面條加工方法。以刀削面為代表的切削成形法，面條口感筋道凌厲，然其技術要求過高，非常人居家所能及。以扯面拉面拉條子為代表的超塑性成形法風靡全國，然其前處理過于復雜，多用于面館經(jīng)營批量生產(chǎn)。以掛面為代表的時效成形法，面條風干耐儲藏，然其工序耗時過長，只適用于商品化生產(chǎn)。與其他成形方法相比，手搟面以其耗時短、技術門檻低、面條樣式靈活多變的顯著優(yōu)點，應用最為廣泛，尤其以作者所在的關中一帶，更是形成了家家戶戶把面搟的盛景奇觀。

然而搟面看似簡單，背后卻蘊藏了極為復雜的力學原理。作為一種典型的粘塑性材料，面團在搟成面條的過程中呈現(xiàn)出復雜的非線性力學行為，時至今日，相關研究仍然極為欠缺。為了彌補此項空白，本文對手搟面加工過程中的非線性力學及熱力學問題進行了系統(tǒng)的實驗及理論研究。各章安排如下：第二章介紹了實驗部分，包括材料屬性及實驗流程；第三章給出了理論分析，對“醒面”、搟面、煮面過程中涉及的非線性力學及熱力學知識進行了詳盡分析。第四章對全文工作進行了總結，并對未來工作做了展望。

2.實驗

本文所用面粉為T45小麥粉，購于Auchan Villebon超市。和面用水為冷自來水，未加鹽，未加堿。水面混合比為目測，只可意會，不可量化。經(jīng)初步和面揉面，制成粗結構面團。靜置約10分鐘后（即“醒面”），將面團揉至細光態(tài)（表面無可見雜質(zhì)），然后搟面、切面、煮面、吃面。實驗照片由尼康D5200單反相機和榮耀6智能手機拍攝。另加工豬里脊肉及芹菜若干作為配菜，因?qū)Ρ疚难芯績?nèi)容無實質(zhì)影響，故不贅述。

3.理論分析

3.1 醒面過程中的時效成形原理

圖1給出了經(jīng)過初步和面、揉面得到的粗結構面團。粗結構面團遠未達到搟面要求，且其精加工十分困難，具體表現(xiàn)在：I.揉面很費力；II.遲遲無法達到細光態(tài)。經(jīng)過約10分鐘左右的時效成形（即“醒面”，以下統(tǒng)稱時效），面團塑性大幅度提升，揉面過程變得省時省力，面團很快即達到細光態(tài)，如圖2。

圖1粗結構面團

圖2細光態(tài)面團

圖3給出了面團在時效成形過程中的微結構演化過程。和面過程中，水和面粉混合，面粉中蛋白質(zhì)吸水形成面筋，在揉面過程中面筋相互粘連最終形成粗結構面團。然而，由于初始揉面過程中，水分并不是均勻分布的，所以實際形成的粗結構面團是一種各向異性材料，可近似為水分含量大的基體區(qū)夾雜著水分含量小的干燥硬質(zhì)區(qū)（微距實驗觀測見圖4）。干燥硬質(zhì)區(qū)作為增強相會顯著降低面團的塑性。在初步揉面過程中，不同的局部硬質(zhì)區(qū)的阻礙作用導致面團塑性流動性變差；加之蛋白質(zhì)大分子在外力作用下相互糾纏，亦會在面團內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應力，進一步導致面團的力學性能變差。

圖3時效成形過程示意圖

圖4粗結構面團的微距實驗觀測

經(jīng)過時效處理后，水分得以均勻擴散，干燥硬質(zhì)區(qū)消失；由于不再有硬質(zhì)區(qū)的阻礙作用，加之蛋白質(zhì)大分子的松弛重構，面團可視為各向同性材料，其塑性性能大幅度提升，從而使揉面變得十分容易，很快達到細光態(tài)。

3.2 搟面過程中的非線性變形問題

搟面有兩種形式：平面搟面法和卷積搟面法。下面予以分別討論。

3.2.1 平面搟面法

5平面搟面法

圖5給出了平面搟面法的剖面圖，其塑性流動法則遵循體積不變假設。所謂體積不變，即材料在變形過程中不論形狀如何變化，其總體積認為保持不變，所以厚度的減小必然意味著平面的擴展。如圖5所示，面片在搟面杖的壓迫作用下，沿搟面方向延展，最終達到搟薄的目的。

3.2.2 卷積搟面法

圖6卷積搟面法

卷積搟面法的原理與平面搟面法類似，但具體變形過程較為復雜。為簡化分析，我們沿砧板法線方向?qū)υ谀骋粨{面時刻的卷積面片作以分割（如圖6紅色虛線），顯然，法線左側(cè)為已搟區(qū)，厚度較薄，法線右側(cè)為未搟區(qū)，厚度較厚；與平面搟面法類似，未搟區(qū)在圖示法線方向接觸區(qū)域內(nèi)受壓迫變薄，根據(jù)體積不變條件，材料向前延展，從而達到搟薄目的。由于卷積搟面法具有多層次搟面、多周期循環(huán)的優(yōu)點，其搟面效率大為提高。

3.2.3 搟面過程中的回彈問題

以平面搟面法為例，圖7給出了搟面過程中回彈翹曲的產(chǎn)生機理。在搟面過程中，面片上表面在搟面杖作用下延展，延展后的上表面有彈性恢復的趨勢，故在上表面會產(chǎn)生一個拉應力。在面片邊緣區(qū)域，由于局部塑形流動，上表面的材料會補償?shù)较卤砻妫瑥亩鴮е孪卤砻鎻椥允湛s趨勢遠小于上表面。另外，上表面是自由面，下表面與砧板接觸，面片與砧板間的摩擦力會進一步阻礙下表面的彈性恢復。由于上表面的彈性恢復，搟面后面片會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，即表現(xiàn)為邊緣的翹曲，實驗觀測結果在圖8中給出。顯然，面片越厚，上述效果越顯著。在實際搟面過程中，初始階段的平面搟面法回彈量大，中后期的卷積搟面法回彈量小，直至最后回彈完全消失。

圖7回彈示意圖

圖8回彈實驗觀測結果

3.2.4 中心變薄問題

在搟面過程中，面片中心最容易搟薄，這是搟面過程中材料塑性流動的另一個必然結果。根據(jù)3.2.1節(jié)及3.2.2節(jié)的分析，面片沿搟面杖搟進方向的塑性流動最大，即搟面杖搟進方向是面片的主變形方向。根據(jù)體積不變條件，延展越大，厚度減小越大。如圖9所示，以平面搟面法為例，不論搟面方向如何變化，面片中心區(qū)域一直處在主變形方向上。顯然，在同等的搟面條件下，面片中心厚度減小最大。為了改善這一現(xiàn)象，初始搟面過程中，往往遵循先邊緣、后中心的原則，以便在中心地帶形成高地，形似富士山，我們將其命名為“富士山搟面法”。在具體實踐中，富士山搟面法已得到廣泛應用。

圖9 主變形方向及其在循環(huán)搟面過程中的變換

圖10給出了遵循“富士山搟面法”得到最終的面條形態(tài)，由圖可以看出，面條厚度十分均勻。

圖10 最終面條形態(tài)

4.煮面過程中的火候控制問題

由于面條在水中浸泡過久會嚴重影響口感，所以煮面必須遵循旺火快煮的原則。在出現(xiàn)劇烈沸騰后，為了避免溢鍋，往往會添加少量冷水終止沸騰狀態(tài)。然而，在很多完全不會出現(xiàn)溢鍋的情況下（例如鍋大面少），沸騰后需不需要添加冷水呢？本章對這一問題給出了解釋。

煮面的實質(zhì)是面條和環(huán)境介質(zhì)發(fā)生熱交換，從而使面條由生變熟，所以面條吸收熱量的快慢則成為煮面的關鍵。熱交換除了與溫度有關外，還與不同介質(zhì)間的傳熱效率有關。如圖11所示，處在劇烈沸騰態(tài)時，大量氣泡產(chǎn)生。圖12給出了面條與介質(zhì)的熱交換示意圖，沸水與氣泡溫度一致，然而，液體的傳熱效率遠遠大于氣體（液體的熱量密度遠高于氣體），劇烈沸騰狀態(tài)下面條與水氣混合介質(zhì)的傳熱效率反而會降低。所以，此時少量添加冷水減緩沸騰程度有利于將面條盡快煮熟。但也不應該添加冷水過多，否則顯著降低水溫又會降低傳熱效率。

圖11 煮面過程中的劇烈沸騰態(tài)

圖12 煮面過程中熱交換介質(zhì)示意圖

綜上，正確的煮面方法應該為：旺火快煮，劇烈沸騰時應添加少量冷水，加水量以恰好減緩沸騰又不降低水溫為宜。當然在具體煮面實踐中，無需如此精確，盡快煮熟即可。

圖13給出了遵循本方法得到的煮面結果，經(jīng)過試吃評估效果，怎一個贊字了得。

圖13 手搟面最終效果

5.結論

本文研究了手搟面加工過程中非線性力學及熱力學問題，主要結論可歸納為以下幾點：I.時效可顯著提高粗結構面團的力學性能；II.搟面過程的塑性流動遵循體積不變條件；面片上表面的彈性恢復是導致面片邊緣回彈翹曲的主要原因；由于面片中心每次都處在主變形方向上，故最易搟薄；III.煮面過程中出現(xiàn)劇烈沸騰后適量添加冷水有助于加快煮面速度。

作為一種含糖量極高的碳水化合物，面條雖好，多吃易胖。如何在保持體型的過程中科學吃面，依然是亟待解決的重要問題。這將在下一步工作中予以考慮。（來源：網(wǎng)易科技-亞輝）

致謝

本文未受任何項目或基金的資助，在此均不予以感謝。