刀究竟如何切開物質？

01-05

我知道這個過程中牽涉到了力和受力面，但是在進行微觀層面的想像時遇到了疑問，刀應該不足以真的切開物質分子，切開的究竟是什麼，這一過程中作用的主要因素究竟是力的作用，還是刀的硬度，如果假設只有力的存在，可不可以做到類似切開的效果，還望大神指教。

當然有可能會切開分子，分子是很脆弱的，只要提供足夠的能量就會斷開。切割的本質就是在局部提供能量導致各種化學鍵和分子間的相互作用力斷開。

斷開的化學鍵一般都會立刻和周圍的物質結合成新的結構，所以一旦切開就很難接回去。

刀切割的關鍵是在局部製造一個足夠大的壓強（stress），這個壓力超過微觀結構承受能力，結構就會發生斷裂。刀越鋒利，同樣的力提供的的強力就越大，影響材料微觀結構的範圍就越小也越集中。

對於脆性材料的切割可以用簡單的一類斷裂來簡單解釋，而剪切可以用三類斷裂來簡單描述。

當然，絕大多數切割不能用單一簡單的斷裂模型來解釋。三維局部受力產生的是一系列三維壓強張量分布，想要理解複雜的切割狀態，可以通過有限元模擬來進行分析。

硬度和強度對與刀片的作用就是保證刀刃上的微觀結構不比被切割的結構事先斷裂或者變形。當然，只要提供足夠多的力/能量，水也能切肉。

這真是印證了一句古話：大力出奇蹟。

我們來看看刀是如何把肉切開的。

一大坨肉，看起來渾然天成，把鏡頭往裡靠靠就會發現他們是一堆組織器官摞在一起而成的。

鏡頭再往裡靠，你會發現一張三維的、由膠原蛋白（也不完全是）構成的細胞外基質網框架，類似於建築工地的腳手架和木頭框架，示意圖：

真實情況大概是這個球樣子（脫細胞基質）：

細胞填充期在其間，大概是這個樣子：

鏡頭在拉近點，拉到細胞里看看，你會發現細胞骨架（微絲、微管蛋白構成）：

肉里其他的液體狀物質，不值一提。

沒錯！

細胞外基質網和細胞骨架構成了肉的剛度和粘彈性，你拿刀切肉，就相當於刀刃斬斷了這些膠原蛋白和微絲、微管蛋白。

蛋白又是什麼結構呢？

它是20種氨基酸靠肽鍵（共價鍵）連在一起的：

直觀一點看起來就像這樣子：

共價鍵嘛，靠電子云疊加產生，足夠的能量（機械力也可以）到了自然會斷。

你的刀刃足夠硬、足夠薄（1納米），肯定能一划而過。刀不重要，無非就是一種機械力而已。

壓力讓物質結構崩塌。

同樣大小的力作用在越小的面積上，單位面積的壓力就越大。

刀和被切物，誰的分子結構不穩定誰就破碎。

把刀切木頭的刀刃處，放大一萬倍，就類似於一塊鐵板壓在木頭上。木頭被壓碎了。

木頭切口處看起來很整齊，其實放大了看是很粗糙並且沒有規律的裂痕。

既然問題提到了微觀層面，建議參考我們摸到的物體表面是原子核的集合還是外層電子的集合？ - 知乎

宏觀上，刀按壓下去，物體被切開，微米尺度上，分子之間是連在一起的，刀刃布滿了鋸齒，刀刃橫截面是錐面，物體被刀刃和刀脊推開，就成了宏觀的切開，刀施加了兩種力:壓力和切削力，壓力使材料向兩邊推開，切削力切開黏連的地方，行成美麗的鋸齒花紋。

一旦尺度達到納米級，此時影響刀切開物體的因素只有斥力，電子間相互排斥，此時的刀刃看起來非常非常寬，電子間相互排斥讓材料往兩邊去；刀刃也會粘上不少材料，刀刃的鋸齒上也會緊緊吸附不少材料，因為范得華力。

刀刃是不能劈開化學鍵的，切開細胞都得非常非常好的刀具，也就是廚師說的切感。宏觀上廚子乾淨利落的把肉切成薄片，主要靠切削力而不是壓力，這歸功於刀刃的微觀鋸齒結構。

綜上個人所述

材料力學中剪切斷裂，對固體金屬從微觀上講就是晶粒間的位錯變形過大而產生裂紋，裂紋擴展從而發生斷裂。

用刀切東西，相當於在很窄的面積上對物體進行剪切，剪切面有兩個，物體表面被破壞後，刃部起到擴張裂紋的作用。

切開物質的不是刀，你需要在「刀」上加一點東西。

就成了「力」！

兩個一起合作才能見效。

漢字好偉大！

刀作用於物體表面施加力時，物體內部相因有剪切應力和應變的存在，當應力達到屈服極限極限時物體發生塑性變形達到強度極限時就發生斷裂，開始時就是晶界滑移，，然後產生微裂紋，裂紋擴展最終斷裂，

6.3更新

居然有人贊我！知乎小白感到很驚喜！

刀在小面積上讓應力產生了很大的變化，超過了最大允許應力，想要好好了解的話可以看看塑型力學和斷裂力學，這裡會講範式應力等東西～

知乎小白說的有問題的話，請大神指出來

原答案

不是壓力壓斷，而是剪力剪開，而且和鍵斷裂沒有任何關係

首先，請看一下這個公式：壓強 = 力/（面積）

壓力是力的密度，因此壓強越大也就代表著破壞性越大。切東西時候需要用力揮刀（增加力），同時刀刃也要尖（減小面積）。刀之所以能夠切開物質是因為有來自於物質本身的反力量在配合刀。

牛頓的第一定律：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。
牛頓的第三定律： 相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

我認為需要通過理解剪刀背後的理論來理解刀。由於讀文字太無聊，請讓我用幾張簡單而有趣的圖來解釋剪刀是如何切開物質的，我們先來看一下車撞障礙物的例子來比喻剪刀：

除了車子撞擊障礙物以外，剪刀的理論也會在結構力學裡出現：

希望這兩個例子足夠幫助你理解剪刀背後的邏輯的，最後再配一張剪刀剪紙的圖：

（不是我的手）

剪刀之所以切開物質是因為有兩股相反方向的力量在同時起作用，刀的原理也是一樣的，只不過刀切物質時候的反力來自於物質本身。

把范德華力分子健擠斷

物質間的作用力:

刀，可視為金屬單質（一般是合金），結合力為原子間的引力與斥力的平衡點，相當的牢固。

菜，有機物，大分子。通常是分子間的相互作用力，范德華力，蛋白質大分子間可能存在分子間的相互糾纏，比單純的分子間作用力要大。

原子核間相互碰撞一般只有高能實驗中才會出現，原子核間碰撞需要克服相當大的勢能。

電子衝擊原子核，一般會伴隨射線的放出

電子間的相互碰撞（理解為排擠更合適，電子對撞也是高能實驗中才會出現的東西），電子間的相互排擠會引起電子能級的越遷，會伴隨電磁波的產生（光）是特殊的電磁波。

分子及原子間的碰撞一般理解為電子間受到的斥力足夠大，足以引起晶格（原子）與分子的振動，伴隨熱量的產生。

刀切菜，切一般的青菜刀很少會發熱，所以說可能原子與分子間的斥力（電子與電子間的斥力）就足以撕裂出口子。產生的應力並不足以導致電子產生躍遷（簡單理解為位移），及分子與原子晶格的振動。

刀對砍，有時可以看到火光（請腦補五毛特效的電影），至於有沒有電磁波這不清楚，沒測過。電子間產生了很大的相互排斥，使得原子晶格間也產生了振蕩（放出熱量），但出現的火花是否為電子躍遷產生的可見光待考究。

肯定會有人說「肯定是趁他們不注意的時候切開的」O(∩_∩)O

物質怎麼連起來的，刀就怎麼切開的

很難想像可以把分子內的化學鍵拉斷。除非非常長的蛋白質大分子。如果是切割金屬，應該也不算把原子核之間的力破壞掉。想像一下，用刀切開一碗水。水確實分開了，但是應該沒有一個水分子被破壞。如果刀能把分子內的力破壞了，就是物理變化，產生化學反應了，達到了粒子加速器的效果。

包括對晶體也是一樣，根本切不開分子內的力。只能破壞范德華力。

樓上們都在說什麼？

不過是以無厚入有間罷了，游刃必有餘地矣。

詳見庖丁解牛，原文如下：

我只是個勤勞的古文搬運工

　　吾生也有涯，而知也無涯。以有涯隨無涯，殆已！已而為知者，殆而已矣！為善無近名，為惡無近刑。緣督以為經，可以保身，可以全生，可以養親，可以盡年。

　　庖丁為文惠君解牛，手之所觸，肩之所倚，足之所履，膝之所踦，砉然向然，奏刀騞然，莫不中音。合於《桑林》之舞，乃中《經首》之會。

　　文惠君曰：「嘻，善哉！技蓋至此乎？」

　　庖丁釋刀對曰：「臣之所好者，道也，進乎技矣。始臣之解牛之時，所見無非牛者。三年之後，未嘗見全牛也。方今之時，臣以神遇而不以目視，官知止而神欲行。依乎天理，批大郤，導大窾，因其固然，技經肯綮之未嘗，而況大軱乎！良庖歲更刀，割也；族庖月更刀，折也。今臣之刀十九年矣，所解數千牛矣，而刀刃若新發於硎。彼節者有間，而刀刃者無厚；以無厚入有間，恢恢乎其於游刃必有餘地矣，是以十九年而刀刃若新發於硎。雖然，每至於族，吾見其難為，怵然為戒，視為止，行為遲。動刀甚微，謋然已解，如土委地。提刀而立，為之四顧，為之躊躇滿志，善刀而藏之。」

　　文惠君曰：「善哉！吾聞庖丁之言，得養生焉。」

╮(￣▽￣"")╭

可不可以理解成用手掌去分開貼在一起的氣球

強答

在相接處會產生很大應力，塑性材料會屈服，脆性材料會破壞，從這個角度來說，大概可以解釋用刀切黃油和切粉筆的區別

把物體分為一個個應力單元體，每個應力單元體都根據強度理論計算出等效應力，先達到屈服強度，產生塑型變形。後達到斷裂極限強度發生斷裂。(塑型變形後的等效應力計算與之前的公式不一樣) 這只是粗略的說，實際材料細節很多。

其實物質在微觀層面是空的，如果不是速度快到光速，根本不會切到原子那一級~

切就是引力場之間的干擾