飛針穿玻璃談玻璃的脆性及塑性

王廣

摘 要：基于新聞電視電影上看到一些少林武僧或所謂的江湖術(shù)士表演飛針穿玻璃的“絕技”，概略飛針穿玻璃原理及需要玻璃的力學(xué)特性，為大家揭秘飛針穿玻璃的奧秘。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；脆性；塑性；玻璃

一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

按飛針的自轉(zhuǎn)角度來(lái)分類，目前分3類：

1、直射；（握針尖的尾部使針尖旋轉(zhuǎn)0--90°，在滑射技法和指控技法的運(yùn)用下，可以略大于90°。）

2、半圈；（握針部使針尖旋轉(zhuǎn)90°--270°，在滑射技法和指控技法的運(yùn)用下，可以略大于270°。）

實(shí)驗(yàn)所用飛針

3、周圈。（握尾部使針尖旋轉(zhuǎn)360°--450°，在滑射技法和指控技法的運(yùn)用下，可以略大于450°。）從實(shí)際操作上來(lái)說(shuō)，直射最簡(jiǎn)單，半圈次之，周圈最難。三者的關(guān)系是互補(bǔ)，對(duì)單個(gè)人來(lái)說(shuō)，半圈的射程比直射遠(yuǎn)，可以補(bǔ)救直射夠不著的距離，周圈更遠(yuǎn)，但控制起來(lái)難度較大。半圈實(shí)用性較強(qiáng)，從射程上可以代替直射，但直射代替不了半圈。

二：飛針表演對(duì)速度和角度的分析

?速度原理：根據(jù)生活常識(shí)我們知道針?biāo)Τ鋈サ牧Φ涝酱螅谖矬w上的深。進(jìn)一步思考容易的出是針作用在物體上的平均力較大或者針帶有能量較大。可以用物理的能量知識(shí)解釋： ，由簡(jiǎn)單的能量守恒關(guān)系又有： .對(duì)于同一個(gè)針和玻璃，摩擦力F在同一深度相同，所以容易理解針初速度越大扎在針里面就越深。如果能量足夠大便可以直接穿出。

?角度分析：軍事上尤其是坦克或?qū)棿驌裟繕?biāo)時(shí)十分講究角度，一般是垂直打擊效果最佳，最容易穿破敵方的鋼甲。飛針穿玻璃原理和導(dǎo)彈擊打一樣，所以保證針最后是垂直打在玻璃上也是表演成功的重要因素。

?力度分析：這里的力度不是表演者甩針是用的力度，那還是速度分析。這里的力度是針作用在玻璃上的力度。我們都知道用塊磚頭砸向玻璃，玻璃會(huì)粉身碎骨，而用槍打玻璃只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)洞。載荷用 這里有集中載荷和分布載荷的區(qū)別。針頭足夠細(xì)確保了作用力是集中載荷和其足夠大，如同作用在一點(diǎn)上擊破一點(diǎn)而其他完好。那么為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，接下來(lái)分析玻璃的塑性和脆性。

三：玻璃塑性和脆性

在工程中，通常將延伸率較大（>5%）的材料成為塑性或延性材料；延伸率較小的材料稱為脆性材料。通俗的理解就是，在外力作用下，雖然產(chǎn)生較顯著變形而不被破壞的材料，稱為塑性材料。在外力作用下，發(fā)生微小變形即被破壞的材料，稱為脆性材料。。因此脆性材料抵當(dāng)沖擊載荷的能力更差。

同一個(gè)材料在不同力，不同溫度下表現(xiàn)出脆性或塑性。一般來(lái)說(shuō)影響材料塑性和脆性因素很多。低溫能提高脆性，高溫能提高塑性。高速荷載可以提高脆性，低速靜載作用下保持脆性。比如鋼鐵，常溫下為塑性材料抗擊打能力強(qiáng)。但是極度寒冷下變成脆性材料，特別容易一折斷甚至可以擊碎。這里，飛針的速度很多，玻璃的脆性進(jìn)一步提高。

實(shí)驗(yàn)效果

塑性材料的破壞應(yīng)力是屈服應(yīng)力，脆性材料的破壞應(yīng)力是強(qiáng)度極限。玻璃通常情況下是脆性材料，所以如果針作用在玻璃上的載荷大于其強(qiáng)度極限，玻璃就會(huì)被破壞。那么為什么針穿過(guò)去而玻璃沒(méi)碎，這里有兩點(diǎn)原因：一是因?yàn)獒樖谴怪贝蛟诓Ａ系模欢且驗(yàn)楝F(xiàn)在的玻璃一般是有機(jī)物，加熱和拉伸處理過(guò)的有機(jī)玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進(jìn)這種玻璃，即使釘子穿透了，玻璃上也不產(chǎn)生裂紋。一般沒(méi)有特別加工的玻璃會(huì)出現(xiàn)裂紋，如果力量足夠大角度接近90度，裂紋是條狀的，否則裂紋會(huì)較大如同樹(shù)葉或蝴蝶。

總結(jié)：飛針穿玻璃本身并不是神秘的，主要是大家沒(méi)有掌握物理原理以及對(duì)玻璃這種材料陌生而又熟悉。多掌握住科學(xué)知識(shí)，我們便能在大千世界中看出神奇的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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[3]王承遇，盧琪，陶瑛.大連工業(yè)大學(xué)玻璃及無(wú)機(jī)新材料研究[A].北京力學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2012，4.

[4]李大勇，本報(bào)特約記者，韓光.解放軍報(bào).2010，5.

（作者單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)）