Warum kann das gehärtete Glas der Seitenfenster, das mit der Kopfstütze des Sitzes nur schwer zerbrochen werden kann, von einem Fensterbrecher leicht zertrümmert werden?

Jeden Sommer richten Taifune verheerende Schäden an. Der damit einhergehende schwere Regen überschwemmte die Stadt. Es regnete stark und wenn der Fahrer auch nur einen Moment zögerte, könnte das Auto im Wasser versinken. In diesem Fall lässt sich die Tür nur schwer öffnen, da der Wasserdruck von außen gegen die Tür drückt. Nach dem Einweichen im Wasser kann es zu Ausfällen der elektronischen Steuerung kommen und die Autofenster lassen sich nur schwer herunterkurbeln. Zu diesem Zeitpunkt ist das Einschlagen des Fensters die beste Lösung. In vielen populärwissenschaftlichen Videos wird die Kopfstütze eines Autositzes als Werkzeug zum Einschlagen von Fenstern empfohlen. Aufgrund des geringen Platzes im Auto ist das Einschlagen von Fenstern jedoch ineffizient.

Vor ein paar Tagen habe ich ein Fensterbrechwerkzeug gesehen, das kein Sicherheitshammer war. Damit konnte man mühelos die Autofensterscheibe einschlagen, und es sah mühelos aus. Auch die Seitenfenster des Autos bestehen aus gehärtetem Glas. Um diese zu zerbrechen, sind Dutzende von Schlägen mit der Kopfstütze des Sitzes nötig. Dieser Fensterbrecher kann das Glas jedoch durch bloßes Drücken zerbrechen, ohne darauf zu schlagen. Was ist los?

Lassen Sie uns zunächst verstehen, wie gehärtetes Glas zerbricht. Der Grund für die hohe Festigkeit von gehärtetem Glas liegt darin, dass sich während des Verarbeitungsprozesses auf der Außenschicht eine dünne und dichte Druckschicht bildet, während sich die Innenschicht in einem Zugzustand befindet. Bei äußerer Belastung von gehärtetem Glas muss zunächst die Druckspannung der äußeren Schicht ausgeglichen werden, bevor das Glas zerbrechen kann. Unterschiedliche Verarbeitungstechniken führen zu unterschiedlichen inneren und äußeren Zug- und Druckspannungswerten und damit zu gehärtetem Glas unterschiedlicher Festigkeit. Diese „Stärke“ kann in zwei Kategorien unterteilt werden: statische Stärke und dynamische Stärke. Beispielsweise entsprechen die Seitenfenster eines Autos im Allgemeinen der Stufe T2 mit einer Festigkeit von 200 MPa, während die Windschutzscheibe eines Autos der Stufe T3 mit einer Festigkeit von 300 MPa entspricht. Die 200 MPa und 300 MPa beziehen sich hier auf die statische Festigkeit. Bei Autoglas handelt es sich im Allgemeinen um gehärtetes Glas erster oder zweiter Güte mit einer Schlagfestigkeit von 60 bzw. 45 J/m². Die Angaben 60 J/m2 und 45 J/m2 beziehen sich hier auf die dynamische Festigkeit. Einfach ausgedrückt stellt statische Stärke Kraft dar und dynamische Stärke stellt Energie dar. Bei einem tatsächlichen Schaden wird zunächst die „statische“ Festigkeit erreicht und das Glas befindet sich am kritischen Punkt der Rissbildung. Anschließend wird die dynamische Festigkeit erreicht und die entstandenen Risse breiten sich vollständig aus.

Ob Sie einen Sicherheitshammer, eine Sitzkopfstütze oder ein Fensterbrechwerkzeug verwenden, es handelt sich immer um eine physikalische Zerstörung und muss dem gerade erwähnten Bruchprinzip für gehärtetes Glas entsprechen. Nach diesem Zertrümmerungsprinzip ist es eigentlich ganz einfach, den Schutz von gehärtetem Glas zu durchbrechen. Es hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: der Aufprallgeschwindigkeit, der Masse des Objekts und der Kontaktfläche. Die Aufprallgeschwindigkeit und die Masse des Objekts bestimmen direkt die kinetische Energie des Objekts, und dieser Teil der kinetischen Energie kann verwendet werden, um die kinetische Kraft zu überwinden. Die Kontaktfläche bestimmt direkt die Spannung im Kraftaufnahmebereich und diese Spannung kann zur Überwindung der „statischen“ Festigkeit genutzt werden.

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Wenn die Kopfstütze des Sitzes auf das Glas trifft, ist sie groß und weist eine ungleichmäßige Massenverteilung auf. Obwohl die Kontaktfläche mit dem Glas recht klein ist, reicht die Aufprallgeschwindigkeit nicht aus und in dem engen Raum fehlt Platz zur Beschleunigung. Darüber hinaus ist die Metallstange der Kopfstütze nicht speziell zum Einschlagen von Fenstern gedacht. Das Material wurde nicht speziell behandelt und gehärtetes Glas ist hart, sodass das Metallmaterial beim Zerschlagen eher verformt wird. Daher ist das Einschlagen von Fenstern weniger effizient. Wie zerbricht das Fensterzertrümmerungsartefakt Fenster?

Ich habe mir eins gekauft und auch jede Menge gehärtetes Glas dazu gekauft. Das Ding ist sehr klein. Der entscheidende Punkt besteht darin, dass, wenn ein Ende am Glas anliegt, dieses Ende nach innen gedrückt wird. Bei einem gewissen Druck springt die Stahlnadel im Inneren heraus und zerbricht das Glas.

Diese Fensterzertrümmerungswaffe verfügt über zwei der drei oben genannten Faktoren, nämlich Aufprallgeschwindigkeit und Kontaktfläche. Obwohl das Artefakt selbst sehr leicht ist, gleicht seine hohe Aufprallgeschwindigkeit seine eigenen Qualitätsmängel aus und erzeugt große kinetische Energie. Der Auswerferstift wurde speziell behandelt, weist eine ausreichende Härte und Steifigkeit auf und verformt sich nicht so leicht. Der Spitzenbereich ist klein, wodurch leicht große Spannungen entstehen können, wodurch die äußere Druckspannungsschutzschicht des gehärteten Glases bricht. Im Inneren des Artefakts befindet sich eine Feder. Wenn wir auf diese Weise drücken, übertragen wir Energie auf die Feder und speichern sie. Nach einem bestimmten Druck wird der Mechanismus zum Lösen der Feder ausgelöst und die gesamte elastische potentielle Energie wird auf den Auswerferstift übertragen und in die kinetische Energie des Auswerferstifts umgewandelt. Je größer die Federsteifigkeit und je länger der Kompressionshub, desto größer ist die kinetische Energie des Auswerferstifts und desto dickeres Glas kann zerbrochen werden.

Dieses Gerät zum Einschlagen von Fenstern basiert also vollständig auf der inneren Feder. Es ist Taifunwetter, ich hoffe, die Studenten werden auf die Sicherheit achten.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Wang Yongjian

Rezensent: Zhou Xiaoliang

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.