薄度多少的紙才最容易劃破手指？這篇科學論文為「最危險的紙」找到了答案

每個人多少可能都有被紙張偷襲手指的經驗，通常是翻書或整理檔案時，你以為手指皮膚和書頁紙張只會有蜻蜓點水般的一面之緣，但直至感到指尖隱隱作痛，你才見手指上那道傷口。

不過，有趣的是，平常你就算故意用紙去劃手，很多時候也劃不破。

這引起了丹麥技術大學（Technical University of Denmark）幾位物理學家的興趣，他們開始查閱研究論文，想知道什麼樣的紙，用什麼樣的方式，最容易劃破手指。

太厚太薄都不行

但他們卻發現，這麼有趣的問題竟然沒有人研究過？！好吧，既然查閱不到相關的研究，他們就自己研究！

他們找來了不同厚度的紙，嘗試用各種角度去切手指，想看看怎樣才最容易切出傷口。不過鑑於這幾位物理學家都不太願意貢獻自己的手指，他們實驗中用的「手指」其實是用矽膠製作的模型。

他們觀察到，在相同的切割角度下，當紙很厚時，切割時只能讓矽膠凹陷下去，但不能成功切開矽膠；

而當其它條件保持不變，換用薄一點的紙時，就能夠切開矽膠了——但紙也不是越薄就越好；

因為當他們換用更薄的紙時，紙不僅沒能切開矽膠，還把自己給壓彎了。

此外，他們還測試了不同切割角度下，紙切破矽膠手指的難易程度。結果發現，切割時紙和矽膠表面的夾角越小，越容易切開口子。

總結一下就是：紙的切割角度越小越容易切開矽膠；但在給定切割角度下，紙太厚或太薄都切不開矽膠。

為什麼會出現這樣的變化趨勢呢，最容易切開手指的厚度和角度又是多少呢？

首先我們來探究一下，為什麼在相同切割角度下，相對薄一點的紙更容易切開皮膚。

便於理解的解釋是——紙越薄就越“鋒利”。在切割皮膚時，紙施加給皮膚的所有力都集中在紙和皮膚間的接觸表面上。而紙越薄，它與皮膚間的接觸面積就越小，因此施加相同的力時，皮膚在單位面積上所受的力會更大，即“應力”（stress，σ=F/s）更大。

紙向皮膚施加的應力會有兩種作用，一是讓皮膚表面向下凹陷形變，二是將接觸面兩邊的皮膚向兩側拉扯。

▲ 紙劃矽膠的物理模型（圖片來源：原論文）

當向兩側拉扯皮膚的應力（即“剪下應力” shear stress——應力在與皮膚表面切向的份量）超過皮膚的承受範圍時（取決於皮膚的楊氏模量和斷裂硬度），皮膚就會被撕裂開（發生塑性形變），即被紙切開了。

而前文說到，紙越薄，應力越大，顯然更容易超過皮膚的承受範圍，從而切開皮膚。此外，切割角度越小，應力在皮膚表面切向的份量“剪下應力”就越大，也更容易切開皮膚。

▲ 切割角度與紙的厚度對紙是否能切開皮膚的影響（圖片來源：原論文）

那為什麼當紙過薄的時候，又切不開皮膚了呢？

紙太薄，它就過於柔弱了。

在以上的分析中，我們其實假定紙是不會形變的，但在開頭的實驗中我們可以看到，過於薄的紙，在切割過程中會發生彎曲——這是因為太薄的紙強度較低，自身承受不了切開皮膚所需的應力。

這在工程力學上叫做“屈曲”或“壓曲”（buckling），即柱子或橫樑等結構在承受過大的壓縮負荷時，突然彎曲或形變的情況。

▲ 材料發生屈曲（圖片來源：Mircalla22 (talk)- Public Domain）

在實際生活的應用中，工程師在工程設計時必須仔細考慮屈曲問題，以確保結構保持安全和穩定，尤其是在多載情況下。

▲ 天太熱，鐵軌受熱膨脹發生屈曲（圖片來源：Railpedia.nl - CC BY-SA 3.0）

而對於過薄的紙，它們在達到能切開皮膚所需的應力之前就發生了屈曲，因此不足以切開皮膚。

通俗點說，紙能不能切開皮膚，實際上是看在應力增加的過程中，紙和皮膚誰先達到承受極限——先達到皮膚的極限就可以成功切開皮膚，先達到紙的承受極限就會讓紙發生屈曲。

越薄的紙越鋒利，但也更容易達到自身發生屈曲的極限。而當一張紙能夠給皮膚的最大應力，剛剛能夠切開皮膚，又剛剛不至於發生屈曲時，這種厚度的紙就是最容易劃傷手指的紙。於是這幾位物理學家算了算，厚度 65 微米的紙就剛好滿足這個條件。

他們還算出，在真實生活中， 65 微米厚的紙能成功切開手指的可能性為 21%，換句話說，如果你翻閱的紙厚度剛好為 65 微米，那麼平均這種紙每劃過你的手指五次，就有一次成功劃傷手指，好危險！

那麼我們生活中什麼紙的厚度最接近 65 微米呢？許多點陣印表機（dot matrix printer）用紙的厚度就剛好是 65 微米，此外，很多報紙的厚度也差不多。

▲ 一種點陣印表機（圖片來源：Nakamura2828 at us.wikipedia - CC BY-SA 3.0）

但作為科研人員，這幾位物理學家專門指出：兩大學術期刊《科學》（ Science，55 微米）和《自然》（Nature，49 微米）厚度很接近 65 微米，也十分危險！

找到“最危險”的紙之後，這幾位科學家還專門通過 3D 列印，製作了一種刀架，可以把 65 微米厚的紙當成刀片使用（3D 列印資料已上傳，可自行下載），據說切蔬菜雞肉啥的賊輕鬆！

他們已經將該研究過程整理成論文，發表在了期刊《物理評論 e》（Physical Review E）上，感興趣可以去讀一讀。

參考文獻