為何在裁切玻璃或瓷砖時,表面出现划痕就能將其弄開呢?

本文围绕「為何切割玻璃或瓷砖時,在表面划個痕就能將其弄開」這個問題,介绍了傳統強度理論無法解釋切割玻璃現象的局限性,並阐述了英國科學家格里菲斯開創断裂力學的背景,以及断裂力學中應力集中和低應力脆裂等相關原理。最後,本文列举了断裂力學在日常生活中的應用,例如食品塑料包装袋開口設計等。

為何在裁切玻璃或瓷砖時,表面出现划痕就能將其弄開呢?

玻璃是易碎的材料,一不小心就會破碎,但工人師傅却能將整塊玻璃裁成人們所需的尺寸。工人師傅先用一種叫玻璃刀的工具在玻璃表面划一道痕,再一扭就把玻璃裁開了,而且不会碎成許多小块。為什麼呢?

裁玻璃 在 18 至 19 世紀的工业革命后,對物體破壞過程的理解形成了“一種強度理論”。根據這個理論,当物體受到的外部荷載達到某個強度的“門槛值”時,物體就会被破坏。然而,在裁玻璃時,外部荷載的強度远低于它的 “門槛值” 也能裁開,而且裁得整整齐齐,这是為什麼呢?1921 年,英國科學家格里菲斯對這個問題產生了興趣,進行了仔细的研究,從而開创了一門叫做断裂力学的新学科。根據他的理論,在 “痕” (或 “裂纹”) 的前沿有應力集中,一旦外部荷載達到断裂的 “門檻值”,裂纹就会扩展。并且,當裂纹越大時,这个断裂 “門檻值” 越小。因此,只要裂纹開始扩展,就很难让它停下來,这就是所谓的“低应力脆断”。因此,在划了痕的玻璃上,加上不太大的荷載,就會迅速沿着划痕断開,而沒有划痕的地方,经典的“強度理論”仍然有效,因為這些部分沒有達到強度的“門檻值”,也就不会破碎了。

包装撕口 在日常生活中,断裂力学還有很多應用,比如有些食品塑料包装袋的邊缘會預製一個 “V” 形的小缺口,从這里撕開有韌性的塑料袋就非常方便。如果製造商不小心預留的是弧形缺口,那麼使用起來就會有些麻烦了。