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小小破窗器为何能快速破窗?

2021-01-21 11:19:56作者:来源:来宾日报

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。小小的破窗器为什么可以轻易地将车窗玻璃击碎?这其中有什么特殊的原理?

材料的物理性质:脆性和韧性

脆性和韧性是一对截然相反的材料物理性质,假如某个固体材料受到拉伸、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,我们就认为它是韧性材料,例如橡胶、肉块中的筋等;相反,假如某个固体材料只出现微小的变形就迅速发生破坏,则认为它是脆性材料,例如石块、玻璃等。

作为一种典型的脆性材料,当玻璃的某个局部区域因损伤而出现裂纹时,这些裂纹会迅速地向外扩展,从而造成整个玻璃的破碎。此外,汽车的玻璃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,还可避免出现威胁乘客安全的较大锐利尖角。

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。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,头部尖锐的安全锤比普通锤头更容易使车窗玻璃发生初始损坏。

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,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,安全锤有缺点: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。在遇到危险时,安全锤很有可能无法发挥预定的破窗作用。

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,并陆续安装到国内的公共交通车辆上。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其内部安装的高强弹簧。

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与之接触的针头,从而将车窗玻璃成功击碎。

自动破窗器的优点非常明显: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。

注意:敲击玻璃的一角

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。

相反,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。

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