Точка напряжения бронированного стекла

90 Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле

Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле

Для опыта нам потребуются: две длинные палки.

Ну, раз уж начали про стекло, давайте подумаем над занятным вопросом. Часто бывает, что по стеклу начинает бежать трещина. Чаще всего это заметно на лобовых стеклах автомобилей. Такая трещина, однажды начавшись, начинает сама собой расти, удлиняться, и рано или поздно стекло лопается пополам.

Почему так происходит? Почему растет трещина в стекле?

Мы помним уже из закона Гука, что если к предмету прикладывается сила, то предмет сжимается или растягивается. На резиновом шарике это хорошо видно. Но и, казалось бы, твердые предметы, такие как дерево, стекло, камень, тоже сжимаются или растягиваются. Только сдвиги эти настолько маленькие, что их незаметно на глаз.

Поскольку почти на любой предмет действуют разные силы одновременно (ну, хотя бы сила притяжения Земли), то в любом предмете внутри существуют напряжения. Если мы начнем ломать толстую палку об колено, то мы ее, может быть, и не сломаем. Но пока мы давим посередине коленом и тянем двумя руками за концы, в палке возникают сильные внутренние напряжения.

Так вот, что происходит, если в стекле возникла трещина? Внутри стекла всегда существуют напряжения. А трещина – это по сути своей ущелье с очень острым, невероятно острым дном.

Два края стекла, по сторонам трещины, чуть-чуть шевелятся и сдвигаются при воздействии разных сил. И вся мощь, вся сила этих краев словно два огромных рычага действуют на острие трещины, на ту точку, где эти два рычага сходятся.

Чтобы понять действие этих сил, проделаем очень простой опыт.

Возьмите две любые, достаточно длинные палки. Подойдут две швабры, например. Сядьте на стул, сдвиньте колени и засуньте между сжатыми коленями эти палки так, чтобы они уперлись в пол между ступнями. Теперь эти палки – боковые поверхности трещины в стекле, а ваши руки на них – действующие силы. Попробуйте развести палки в стороны и при этом, разводя их руками, старайтесь удержать их в прежнем положении коленями. Руки слабее ног, но вы легко раздвинете собственные колени этими палками. Удержать палки практически невозможно. Здесь работает правило рычага, выведенное еще великим Архимедом. Оба «рычага» сходятся в одной точке и создают невероятную силу, разрывающую стекло пополам. Теперь мы понимаем, что трещина буквально разрывается двумя рычагами под действием даже слабых сил, сотрясений, давления… Такие точки, как острие трещины, называются «концентраторы напряжений», и при конструировании приборов, деталей ученые стараются избежать возникновения таких точек.

Что же делать с трещинами?

Конечно, для стекол существуют разные клеи, которыми заливают трещину целиком… Но можно ли использовать законы физики, чтобы избежать распространения трещины?

Оказывается, запросто. Чтобы рычаги перестали работать, их надо развести в стороны, они перестанут рвать стекло в одной точке. Для этого в конце трещины просверливается маленькая дырочка. Она уничтожает острие, где сходятся боковые поверхности трещины, рычаги, и трещина перестает ползти дальше!

Единственное замечание, что для автомобильных стекол этот метод работает плохо. Дело в том, что стекла на лобовом стекле состоят из многих слоев. Трещины идут сразу по всем слоям, и просверлить дырочку так, чтобы попасть сразу во все трещины, обычно не удается. Приходится заклеивать клеем.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читайте также

Дождь на оконном стекле

2. Термодинамические параметры. Термодинамические показатели. Баланс напряжений

2. Термодинамические параметры. Термодинамические показатели. Баланс напряжений Любая ТДС характеризуется параметрами: температура, давление, плотность, концентрация, мольный объем. В любой ТДС обязательно протекают процессы, и они могут быть равновесными,

Точка опоры

Точка опоры «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир!» Кто это хвастался? Вы, конечно, знаете — Архимед. Мир он не перевернул, но мысль была правильной. Во всяком революционном перевороте нужна надежная основа, на которую можно с уверенностью опереться. Так и философам

46 Как остановить мгновение

46 Как остановить мгновение Для опыта нам потребуются: два листочка плотной бумаги, пружинка. Великий немецкий писатель Гете написал в свое время историю про ученого, который искал формулу счастья. Этого ученого звали Фауст. Он договорился с самим дьяволом, что когда

81 Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза?

81 Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза? Сейчас я поясню, почему стекло преломляет свет, то есть почему лучи «поворачиваются», изменяют свое направление, попадая в линзу или призму. Сразу надо сказать, что лучи поворачиваются или преломляются не всегда.

Точка зрения звездного наблюдателя

Точка зрения звездного наблюдателя Мы решили изучать движение с точки зрения инерциальных систем. Не придется ли тогда отказаться от услуг земного наблюдателя? Ведь Земля вращается вокруг оси и вокруг Солнца, как доказал Коперник. Сейчас читателю, может быть, трудно

Тройная точка

Тройная точка Итак, имеются условия, при которых пар, жидкость и кристалл могут попарно существовать в равновесии.Могут ли находиться в равновесии все состояния? Такая точка на диаграмме давление – температура существует, ее называют тройной. Где она находится?Если

МЕРТВАЯ ТОЧКА

МЕРТВАЯ ТОЧКА Казалось, что Фарадею предназначено судьбой стать революционером в области электромагнетизма. Ему даже удалось избавиться от ограничений брака и полностью посвятить себя науке, но на пути ученого возникло новое препятствие. Разочарование пришло со

Точка – линия – квадрат – куб – тессеракт

Точка – линия – квадрат – куб – тессеракт Обычный тессеракт – это гиперкуб, куб в четырех измерениях. С помощью рис. 29.1 и 29.2 я по шагам объясню, что это значит. Если мы возьмем точку (рис. 29.1 сверху) и будем двигать ее в одном измерении, мы получим линию (точнее

Источник

Как сделано бронестекло?

Вряд ли найдется хоть один человек на Земле, который за свою жизнь не разбил ничего стеклянного. Между тем, есть целый класс стеклянных изделий, разбить которые подобным образом невозможно. Более того, такие изделия выдерживают прямые попадания из многих видов стрелкового оружия. Речь идет о бронестеклах.

Бронестекло – это, по сути, прозрачная броня, изготавливаемая из нескольких слоев силикатного стекла и специальных полимеров. Появилось такие стекло в 1930-е годы, и толчком к его появлению послужили отнюдь не политики в бронированных автомобилях (до этого было еще далеко), а… военная авиация. Огромной проблемой стала защита пилотов от пулеметного огня самолетов противника. Для фонаря кабины требовалось особое, бронированное стекло.

В настоящий момент бронестекло применяется не только в авиационной, но и в наземной технике – везде, где необходима защита не только от поражающих факторов боеприпасов, но и от любого разрушающего действия. Так, ветровые стекла поездов должны выдерживать попадание как минимум бутылки, запущенной пьяным гопником, а стекла авиалайнеров должны быть стойкими к удару птицей.

Как же делают прозрачные стекла, имеющие прочность выше, чем у металла?

В основе бронестекла лежит самое обычное стекло, только толстое – именно оно приходит на производство. Первым делом этому стеклу придают нужную форму – прижимают к раскроечному столу, и режут по выкройке (этим процессом управляет компьютер). После этого края стекла шлифуются.

Следующая стадия – закаливание. Стекло разогревается в печи до температур выше 600 градусов, а затем быстро охлаждается. В результате прочность увеличивается в несколько раз. Если стекло необходимо в дальнейшем обогревать, на него наносится тонкий токопроводящий слой.

Если стекло должно быть изогнутым, а не плоским, его отправляют в формовочную печь. Будучи разогретым до 800 градусов, стекло становится мягким и под собственной тяжестью заполняет необходимую форму.

После этого стекла склеивают. Для этого применяется особо чистое помещение, так как между слоями не должна попасть ни одна пылинка. В качестве склеивающего вещества используется специальная полимерная пленка, помещаемая между стеклами. При нагревании пленка плавится и намертво соединяет слои между собой.

Далее стекла помещают в раму и обрабатывают герметиком. После высыхания бронестекло готово. Из партии выбираются случайные образцы и идут на испытания.

На испытаниях стекло должно точно соответствовать определенному ГОСТу. По пуленепробиваемому стеклу стреляют из винтовки, по авиационному – из специальной пушки, которую можно зарядить любым предметом – бутылкой, куриной тушкой и т.п. Все эти предметы будут выпущены по стеклу со скоростью более 200 км/ч. Даже если внешний слой будет поврежден и покроется трещинами, внутренний слой должен быть целый.

Так что никаких тайн в изготовлении бронированного стекла нет. Весь секрет – в закаливании и многослойности с использовании специальных полимерных прослоек.

Источник

evgris

Интересно знать

В посте про рекламу пуленепробиваемых стекол в Канаде была выложена картинка стекла. Интересно, почему его нельзя разбить?

На первый взгляд, пуленепробиваемое стекло выглядит как и обычное стекло, но на этом сходство заканчивается. Обычный кусок стекла разбивается при ударе. Итак, почему пуленепробиваемые стекла способны останавливать пули?

Различные производители выпускают различные вариации пуленепробиваемых стекол, и в основном сделаны они из слоев поликарбоната между обыкновенными стеклами, в процессе называемом ламинирование . Этот процесс создает стекла толще, чем обычное стекло. Поликарбонат является жестким прозрачным пластиком — часто известные торговые марки Lexan, Tuffak или Cyrolon. Пуленепробиваемое стекло бывает толщиной от 7 до миллиметра и 75 миллиметров. Пулей можно пробить внешний слой пуленепробиваемого стекла, но слоистый материал поликарбонат способен поглощать энергию пули и остановить ее до последнего слоя. Способность пуленепробиваемого стекла остановить пулю определяется толщиной стекла.

Существует также одностороннее пуленепробиваемое стекло, в котором только одна сторона способна остановить пули, а другая сторона позволяет пули пройти сквозь стекло. Это дает человеку возможность стрелять с обратной стороны пуленепробиваемого стекла. Этот тип пуленепробиваемого стекла производится путем ламинирования хрупких листов материала с гибким материалом.

Представьте себе автомобиль, оснащенный этим односторонним пуленепробиваемым стеклом. Если человек снаружи автомобиля стреляет в окно, пуля ударится о хрупкую сторону стекла. Этот хрупкий материал будет разбит вокруг точки удара и часть энергии на большой площади будет поглощена. Затем гибкий материал поглощает оставшуюся часть энергии пули, останавливая ее. Пуля выпущенная изнутри автомобиль наоборот будет легко проходить через стекло, поскольку сила пули сосредоточена на небольшом расстоянии, что приводит к сгибанию материала. Этот эффект вызывает хрупкий материал, что позволяет пули пробить гибкий материал и нанести удар в цель.

Источник

Самопроизвольное разбивание стекла — Spontaneous glass breakage

Самопроизвольное разбивание стекла — это явление, при котором закаленное стекло (или закаленное стекло ) может самопроизвольно разбиться без какой-либо видимой причины.

СОДЕРЖАНИЕ

Общие причины

• Внутренние дефекты стекла, такие как включения сульфида никеля.
• Незначительные повреждения во время установки, такие как зазубрины или сколы на краях, позже перерастающие в более крупные трещины, обычно исходящие от места дефекта.
• Связывание стекла в раме, вызывающее возникновение напряжений, когда стекло расширяется и сжимается из-за тепловых изменений или отклоняется из-за ветра.
• Термические напряжения в стекле
• Стекло недостаточной толщины, чтобы выдерживать ветровую нагрузку.

Повреждение установки

Пока стекло перемещается и устанавливается, стекольщики могут легко надрезать или сколоть края стекла с помощью различных инструментов. Также возможно, что крепежные детали, такие как гвозди или винты, используемые для крепления упоров для стекла, будут надрезать края стекла, если эти крепежные элементы установлены под неправильным углом. Эти небольшие зазубрины или сколы не могут привести к немедленной поломке. Однако со временем, когда стекло расширяется и сжимается, вокруг зазубрины могут образовываться концентрации напряжений, что приводит к разрушению. В случае закаленного стекла обычно ломается весь блок.

Переплет в раму

Стекло расширяется и сжимается при изменении температуры и отклоняется под действием ветра, поэтому почти все современные стекла устанавливаются на упругие блоки внизу и с пространством для расширения по бокам и вверху. Прокладки, удерживающие стекло в раме, также обычно являются упругими, чтобы смягчить стекло от ударов ветра. Если по периметру устройства нет места, стекло будет упираться в раму, вызывая в стекле внутренние напряжения, которые могут превышать прочность стекла, что приводит к разрушению.

Внутренние дефекты и включения в стекле

В стекле могут присутствовать включения сульфида никеля («камни»). Наиболее частой причиной этих включений является использование оборудования из нержавеющей стали в процессе производства и обработки стекла. Небольшие стружки из нержавеющей стали, содержащие никель, со временем изменяют структуру и растут, создавая внутренние напряжения в стекле. Когда эти напряжения превышают прочность стекла, возникает разрушение. Этот тип поломки почти всегда встречается в закаленном стекле и обозначается характерным рисунком «восьмерка», где каждая «петля» восьмерки составляет приблизительно 30 мм в диаметре.

В качестве альтернативы, небольшие куски огнеупорного кирпича могут разрушаться расплавленным стеклом с внутренних стен печи во время обработки и врастать в готовое стекло. Они также известны как «камни», они также могут разбить стекло при нагревании, поскольку создают тепловые аномалии.

Термические напряжения

Поломка из-за термического напряжения чаще всего встречается в больших кусках герметичного изоляционного стекла с толстым теплопоглощающим (отражающим) покрытием. Покрытие обычно наносят на поверхность «номер два» (внутреннюю грань внешней поверхности). Это приводит к тому, что внешняя поверхность стекла нагревается больше, чем внутренняя, поскольку покрытие преобразует лучистое тепло Солнца в явное тепло. Поскольку внешняя оболочка расширяется из-за нагрева, весь блок изгибается наружу. Если разделительная планка или другое краевое состояние соединяет две стеклянные перемычки очень жестко, могут возникнуть изгибающие напряжения, которые превышают прочность стекла, вызывая поломку. Это стало причиной обширного разбития стекла в башне Джона Хэнкока в Бостоне.

Несоответствующая толщина стекла

Слишком большое или тонкое стекло, которое не было должным образом спроектировано с учетом ветровых нагрузок на объекте, может быть сломано ветром. См . Принцип Бернулли о ветре.

Средства

Любая проблема с поломкой имеет более серьезные последствия, если стекло установлено над головой или в общественных местах (например, в многоэтажных зданиях). На закаленное стекло можно нанести защитную оконную пленку для защиты от падения. Старомодной мерой предосторожности была установка металлических экранов под световыми люками.

Рекомендации

Американское общество испытаний и материалов ( ASTM ):

• ASTM E 2431 — «Практика определения устойчивости отожженного архитектурного плоского стекла с одинарным остеклением к тепловым нагрузкам».
• ASTM E1300 — «Стандартная практика проектирования для определения нагрузочного сопротивления стекла в зданиях».

Источник