紙板為何如此堅固？ - 華爾街日報

插圖：托馬斯·瓦倫塔幾周前，我的辦公室遭遇了一場紙板箱的"靜默入侵"。隨着研究項目所需的設備、工具和各種雜物的陸續送達，壓平的紙板箱悄然堆積成山。直到一名學生來敲門時，我才在狼狽地翻越這堆紙箱時真正注意到它們的存在。這些輕如鴻毛的脆弱紙板——幾乎就是些薄紙片——明明看起來弱不禁風，為何能成為保護貴重物品的堅固屏障？

我們常常低估紙的潛力。在劍橋大學攻讀博士期間，我所在團隊的成員最愛在開放日表演一個震撼實驗：將大型打印紙卷懸掛起來，讓單張紙片承重連接上下兩個懸垂的紙卷，然後在下方懸掛超過150磅（約68公斤）的重物。當實驗者用手術刀刺穿那張承重紙時，觀眾總會倒吸涼氣——但重物紋絲不動。即使將切口不斷擴大，紙張最終撕裂的瞬間也證明了：無論紙張多麼纖薄，其纖維素纖維在特定方向上的抗拉強度超乎想象。

這個演示揭示了關鍵原理：材料的性能取決於結構設計。就像瓦楞紙板通過褶皺波浪結構，將脆弱的單層紙轉化為堅固的防護材料。

價值數十億美元的商品經常通過瓦楞紙箱運輸，因此關於這種材料強度的科學論文層出不窮——包括方程式、計算模型，以及對濕度、温度、紙張類型和箱體形狀的詳細考量。這些結構計算類似於建築設計中的演算，堪稱紙上建築學。

瓦楞紙板由波浪形內層夾在兩塊平面層之間構成。外層至關重要，因為它們能有效抵抗彎曲——要使這種結構變形，必須拉伸外層，而負重實驗表明這極其困難。內外層間距越大，彎曲難度越高，因此瓦楞的首要功能就是維持層間支撐，防止相對滑動。

但最精妙之處在於瓦楞結構本身。這些橫向延展的波浪形構造通過反覆折彎平面材料形成。這是所有平面材料的基本法則：單一方向易彎曲，但若同時施加反向力，則必然導致材料拉伸或壓縮。

披薩愛好者對此原理的體現並不陌生。當握住披薩邊角提起時，尖端通常會下垂，因為餅邊無法提供支撐。但若沿中線對摺，只要餅皮不被拉伸，披薩尖端就無法在垂直方向下垂或彎曲。同理，瓦楞紙中的紙張抗拉伸特性，通過這種雙向約束實現了結構強化。

這是個聰明的點子，我幾乎為自己用力踩踏那堆紙箱感到內疚——力道大得足以摧毀結構，將它們壓扁到無法復原。當終於有人來收走所有紙箱時，我鬆了口氣。但下次再見到紙板箱時，我至少會給予它應得的讚賞點頭。

刊載於2023年12月2日印刷版，標題為《紙板強度的魔力》