纸板为何如此坚固？ - 华尔街日报

插图：托马斯·瓦伦塔几周前，我的办公室遭遇了一场纸板箱的"静默入侵"。随着研究项目所需的设备、工具和各种杂物的陆续送达，压平的纸板箱悄然堆积成山。直到一名学生来敲门时，我才在狼狈地翻越这堆纸箱时真正注意到它们的存在。这些轻如鸿毛的脆弱纸板——几乎就是些薄纸片——明明看起来弱不禁风，为何能成为保护贵重物品的坚固屏障？

我们常常低估纸的潜力。在剑桥大学攻读博士期间，我所在团队的成员最爱在开放日表演一个震撼实验：将大型打印纸卷悬挂起来，让单张纸片承重连接上下两个悬垂的纸卷，然后在下方悬挂超过150磅（约68公斤）的重物。当实验者用手术刀刺穿那张承重纸时，观众总会倒吸凉气——但重物纹丝不动。即使将切口不断扩大，纸张最终撕裂的瞬间也证明了：无论纸张多么纤薄，其纤维素纤维在特定方向上的抗拉强度超乎想象。

这个演示揭示了关键原理：材料的性能取决于结构设计。就像瓦楞纸板通过褶皱波浪结构，将脆弱的单层纸转化为坚固的防护材料。

价值数十亿美元的商品经常通过瓦楞纸箱运输，因此关于这种材料强度的科学论文层出不穷——包括方程式、计算模型，以及对湿度、温度、纸张类型和箱体形状的详细考量。这些结构计算类似于建筑设计中的演算，堪称纸上建筑学。

瓦楞纸板由波浪形内层夹在两块平面层之间构成。外层至关重要，因为它们能有效抵抗弯曲——要使这种结构变形，必须拉伸外层，而负重实验表明这极其困难。内外层间距越大，弯曲难度越高，因此瓦楞的首要功能就是维持层间支撑，防止相对滑动。

但最精妙之处在于瓦楞结构本身。这些横向延展的波浪形构造通过反复折弯平面材料形成。这是所有平面材料的基本法则：单一方向易弯曲，但若同时施加反向力，则必然导致材料拉伸或压缩。

披萨爱好者对此原理的体现并不陌生。当握住披萨边角提起时，尖端通常会下垂，因为饼边无法提供支撑。但若沿中线对折，只要饼皮不被拉伸，披萨尖端就无法在垂直方向下垂或弯曲。同理，瓦楞纸中的纸张抗拉伸特性，通过这种双向约束实现了结构强化。

这是个聪明的点子，我几乎为自己用力踩踏那堆纸箱感到内疚——力道大得足以摧毁结构，将它们压扁到无法复原。当终于有人来收走所有纸箱时，我松了口气。但下次再见到纸板箱时，我至少会给予它应得的赞赏点头。

刊载于2023年12月2日印刷版，标题为《纸板强度的魔力》