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为什么裁玻璃或瓷砖时在表面划痕就可掰开?

玻璃是一种脆性材料,一不小心就会碎掉,可是工人师傅却能将整块玻璃裁成人们所需要的尺寸。工人师傅先用一种叫玻璃刀的工具在玻璃表面划一道痕,然后一掰就将玻璃裁开了,而且不会碎成许多块。为什么会这样?

经过18~19世纪的工业革命,对于物体破坏过程的理解已形成了一种“强度理论”。按照这个理论,当物体被施加的外部载荷达到某个强度的“门槛值”时,物体就会被破坏。然而,裁玻璃时外部载荷强度远低于它的“门槛值”也能裁开,而且裁得整整齐齐,这是什么缘故呢?1921年,英国科学家格里菲斯对这个问题产生了兴趣,进行了精心的研究,并由此开创了一门叫作断裂力学的新学科。按照他的理论,在“痕”(或“裂纹”)的前沿有应力集中,只要外部载荷达到断裂的“门槛值”时,裂纹就会扩展。而且,当裂纹越大时,这个断裂门槛值”越小。于是,只要裂纹开始扩展就很难让它停止,这就是所谓的“低应力脆断”。因此划了痕的玻璃,加上并不太大的载荷,就会迅速沿着划痕断开了,而没有划痕的地方,经典的“强度理论”仍有效,由于这些部分没有达到强度的“门槛值”,也就不会破碎了。

在日常生活中,断裂力学还有许多的应用,比如有些食品塑料包装袋的边缘会预制一个“V”形的小缺口,从这里撕开韧性的塑料袋就非常方便。如果厂家不小心预留的是圆弧形缺口,使用起来就有些麻烦了。

【知识点】断裂力学

断裂力学是20世纪下半叶形成的新学科,它在航空、航天、建筑、船舶、桥梁等工程建设中都发挥着重要的作用,可减少许多重大事故的出现。如果断裂力学出现得更早,也许就不会有“泰坦尼克号”邮轮因为撞上冰山、裂纹迅速扩大而沉没的惨剧了。