塑料饮料瓶的形状设计原理

　　冰镇的瓶装饮料是夏日里的解暑佳品，这些饮品在市面上如此受欢迎，一方面是因为饮料本身味道酸甜爽口，另一方面也与包装瓶体型适当、方便携带有关。大多数饮品的包装瓶都是塑料材质，形状基本相似，塑料瓶的形状设计是对其功能、经济效益、外观美学等多方面考量的结果。

　　仔细观察塑料饮料瓶的外形，不难发现其上部、中部和底部的形状各不相同。瓶身的上部类似于圆顶形，有的甚至是非常规则的圆锥形，顶部的瓶口属于圆柱形；瓶身的中部类似于圆柱形，为了增加美观度，会增添一些环状、竖条状的拱形或各种各样凸凹的形状；瓶身的底部一般设计为内凹，并呈类似圆顶形的花瓣状结构，这些设计的主要考量点是提升瓶子的承受力。

　　此类饮品的包装瓶必须要有较高的抗压能力，才不会让瓶身发生变形。从力学上来说，拱形可以承载较大的外力。塑料瓶在受压状态下的受力点会将力传递给相邻的区域，外力沿瓶身曲面分散开来，使得拱形的每个部位都分担一部分力。另外，很多桥的结构就采用了拱形设计，以达到安全稳定的目的。取拱形的拱脚连线的中心点，与拱顶相连作为轴旋转，拱形旋转一周即是圆顶形。所以，塑料饮料瓶上部的圆顶形可以看成是若干个拱形的组合，在不产生向外的力的同时又能承载住外部压力。

　　瓶身的中部是整个包装瓶最薄的部位，受到外力时容易产生凹陷。若将呈圆柱形的瓶身中部从中间对剖，即可分离成两个拱形结构。尽管是拱形结构，却也无法完全避免材质过薄带来的弊端。所以，为了提升中部的抗压能力，在不能增大壁厚的情况下，可以在瓶身表面添加各种凹凸纹路，如环形、锯齿形、手指形、刚性棱边等，不仅提升了瓶身的抗压强度，还增加了外观上的美感。

　　瓶身的底部不仅支撑着整个包装瓶，还经常与外物接触，其结构强度要求更高。一些碳酸饮料内含大量的气体，包装瓶内存在着一定的压力，尤其在发生晃动或者温度升高之后，碳酸气体释放出来，内部压力会增大。包装瓶的容量较大或者饮品带有气泡时，瓶身破裂的风险会更大。瓶底采用内凹式的形状可以让包装瓶保持稳定的竖向站立状态，也可有效地降低瓶底的擦伤风险，同时还能赋予其抗内压和抗水压冲击的强度，防止瓶底破裂。理论上来说，最耐破裂的结构是圆瓶底设计，但它需要搭配一个能让瓶身竖直稳定站立的底座。花瓣状瓶底就不需要额外的底座，多点支撑保证了包装瓶站立的稳定性。而且，这种花瓣状设计比较美观。

　　在设计容器时，容量也是重要的考量点之一。相同用材量下，球形是容量最大的设计结构，但若将其用在饮品包装瓶上，站立稳定性不足，市场实用性不够。而圆柱形既保证了容量，又保证了站立稳定性，并且容易吹制，便于灌装和运输，更加符合市场需求。

　　不同塑料瓶的特殊外形设计，能有效增强塑料瓶的刚度和耐负荷强度，下次喝饮料的时候，不妨好好观察一下吧！

　　本文由北京市第六十五中学一级教师 胡晓艳进行科学性把关。