小小破窗器为何可以快速破窗?

作者:流火来源:蝌蚪五线谱发布时间:2021-01-12

“云端蝌学课”准时准点来答疑~~

审核专家:北京师范大学物理系副教授 张宏宝

“云端蝌学课”第

我们日常出行时,可以发现公交车、地铁或高铁的车窗玻璃上都安装有破窗器。当遇到危险,需要从窗口逃生时,乘客可以利用破窗器将坚固的钢化车窗玻璃轻松击碎,从而打开救命通道。那么同学们有没有思考过,小小的破窗器为什么可以轻易地将车窗玻璃击碎呢?这其中有什么特殊的原理吗?

要探究这个问题,我们首先需要搞清楚两种截然不同的材料性质——脆性和韧性。

材料的物理性质:脆性和韧性

就像是可燃与不可燃、透明与不透明等材料特性一样,脆性和韧性是一对截然相反的材料物理性质,可以用来描述固体材料的变形能力。

简单来说,假如某一个固体材料在受到拉伸、压缩或扭转等外力作用时,在被破坏之前会出现明显的变形,那么我们就认为它是韧性材料,例如橡胶、肉块中的筋等;相反地,假如某一个固体材料只出现了微小的变形就迅速发生破坏,那么我们就认为它是脆性材料,例如石块、玻璃等。(这一部分内容,我们在讨论厨刀切割食材的力学原理时,也曾经提到过哦!感兴趣的请戳<<

橡胶的韧性很明显,可用作汽车轮胎的原材料

橡胶的韧性很明显,可用作汽车轮胎的原材料(图源见水印)

作为一种典型的脆性材料,当玻璃的某一个局部区域由于损伤而出现裂纹时,这些裂纹便会迅速地向外扩展,从而造成整个玻璃的破碎。

此外,用于汽车的玻璃还是经过特殊处理的钢化玻璃。与普通玻璃相比,钢化玻璃在初始损坏点向外蔓延的裂纹数量更多、更密集,最终会碎裂成无数尺寸较小的玻璃渣,不仅有利于高效破窗,更可以避免出现威胁乘客安全的较大锐利尖角。

钢化玻璃和普通玻璃破碎形态的对比

钢化玻璃和普通玻璃破碎形态的对比(图源:爱卡汽车)

正是基于玻璃的这种物理特性,破窗器才可以做到高效破窗!

手动式破窗器:动能破窗

最初,公共交通车辆上最常用的破窗器是手动式破窗器,又叫做安全锤。

公交车上安装的安全锤

公交车上安装的安全锤(图源:新浪)

安全锤的结构非常简单,一般由把手和钢制锤头组成。与普通的圆头锤相比,这种锤头具有尖锐的头部。我们在物理课本上学过,在同样的压力作用下,接触面积越小,压强越大。所以,头部尖锐的安全锤可以比普通锤头更为容易地使车窗玻璃发生初始损坏。

普通锤头

普通锤头无法造成车窗玻璃的破碎(图源见水印)

安全锤

安全锤可以轻易击碎车窗玻璃(图源:腾讯)

在使用安全锤破窗时,我们需要握紧把手,然后把安全锤抡起来,最后使劲地击打到玻璃上。在这个过程中,手臂对安全锤所施加的动能转化为汇聚在撞击点附近的内能。当内能足够大时,车窗玻璃就会在撞击点附近出现初始的损伤。

不过,通过上文我们可以发现,安全锤有着难以忽视的缺点:抡安全锤的动作需要较大空间;对于儿童、老人等力气比较弱的乘客来说非常吃力。这样一来,在遇到危险时,安全锤很有可能无法发挥出预定的破窗作用。

自动式破窗器:势能破窗

针对上述手动破窗器的缺点,自动破窗器应运而生,并正在陆续安装到国内的公共交通车辆上。下面这个动图可以清楚地展示出自动破窗器的优势所在:

手动自动对比

由于小轿车内空间较小,因此安全锤的作用被明显削弱,而自动破窗器则可以高效破窗(图源:腾讯)

那么,如此高效的自动破窗器又用到了什么原理呢?目前,市面上常见的各类自动破窗器均大同小异,一般由尖锐的撞针和触发装置组成。撞针的作用原理与手动破窗器相同,都是通过减小接触面积来提高在冲击点施加给玻璃的压强。而与安全锤不同之处则在于,针头所需的动能来自于其内部安装的高强弹簧。

一种自动破窗器的结构图。其中6为撞针,5为弹簧。

一种自动破窗器的结构图。其中6为撞针,5为弹簧。(图源:文献[1])

在未触发之前,高强弹簧以压缩状态被固定在破窗器内部,存储了大量的弹性势能。当我们按动、旋转按钮时(或由温度、烟雾等传感器自动触发),破窗器就会立刻解除对弹簧的限制。然后,得到释放的高强弹簧便在瞬间将弹性势能传递给了与之接触的针头,从而将车窗玻璃成功击碎。

这种自动破窗器优点非常明显:使用时所需空间非常小;适用于任何体质的乘客,成功率很高。

破窗器为何需要敲击玻璃的一角?

了解了破窗器的工作原理,现在我们再来思考一下:为什么需要敲击车窗玻璃的一角?敲击中间位置可以吗?

自动破窗器一般安装在车窗玻璃的一角

自动破窗器一般安装在车窗玻璃的一角(图源:新浪)

破窗器敲击位置的选择,与破窗效率有关。玻璃虽然是脆性材料,但是其在发生损伤之前,仍然存在一个可恢复的弹性阶段。假如破窗器的敲击位置处于车窗玻璃的正中心,那么在发生初始损伤前,玻璃会出现幅度较大的弹性变形阶段。这一弹性变形会消耗掉一部分破窗器的动能,从而降低破窗的效率。

而相反地,假如破窗器的敲击位置处于车窗玻璃的一角,那么车窗玻璃框架会对车窗玻璃起到明显的约束作用,使其无法出现较大的弹性变形,从而使破窗器的动能可以“物尽其用”,最大程度地用于造成玻璃的初始损伤。

最后,还要提醒同学们:破窗器是专业的救险工具,我们要克制住自己的好奇心,千万不要随意触摸自动破窗器,否则会影响公共秩序,很容易出现危险!


我们来总结一下本文中出现的知识点:

1. 汽车的车窗玻璃呈现出明显的脆性,这是破窗器可以高效破窗的关键所在;

2. 破窗器尖锐的锤头或针头可以有效提高车窗玻璃在敲击处所受到的压强(人教版八年级物理课本下册第九章);

3. 手动式破窗器主要依靠使用者提供的动能来造成车窗玻璃的初始损伤,自动式破窗器则主要依靠弹簧提供的势能来造成车窗玻璃的初始损(人教版八年级物理课本下册第十一章);

5. 破窗器敲击车窗玻璃的一角时破窗效率更高,主要是因为玻璃框架限制了车窗玻璃的弹性变形(人教版高中物理课本选修2-2第二章)。

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参考文献:

[1] 范继昌, 张向峰, 张向春. 一种温控破窗器[P].2017.

[2] 八年级物理下册,义务教育教科书,人民教育出版社,2012.

[3] 高中物理选修2-2,义务教育教科书,人民教育出版社,2007.

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