座席のヘッドレストでは割れにくいサイドウィンドウの強化ガラスが、なぜウィンドウブレーカーで簡単に割れてしまうのでしょうか?

毎年夏になると台風が大被害をもたらします。それに伴う大雨により市内は洪水に見舞われた。雨が激しく降っていたので、運転手が一瞬でも躊躇すれば、車が水没してしまうかもしれない。この場合、外部からの水圧がドアに押し付けられているため、ドアを簡単に開けることは困難です。水に浸かると、電子制御システムが故障する可能性が高く、車の窓が開きにくくなります。現時点では、窓を壊すのが最善の選択肢です。多くのポピュラーサイエンスビデオでは、窓を割るのに座席のヘッドレストが推奨されているが、車内のスペースが狭いため、窓を割るのは非効率的である。

数日前、安全ハンマーではない窓を割る道具を見ました。これを使えば車の窓ガラスを簡単に割ることができ、しかも楽々と破れるように見えました。車のサイドウィンドウガラスも強化ガラスです。シートのヘッドレストを何十回も叩かないと壊れてしまいます。しかし、この窓割り器は、叩くことなく押すだけでガラスを割ることができます。どうしたの？

まず、強化ガラスが割れる仕組みを理解しましょう。強化ガラスが非常に強い理由は、加工プロセス中に、外層に薄くて密度の高い圧縮層が形成され、内層が引張状態にあるためです。強化ガラスに外部からの負荷が加わると、ガラスが破損する前にまず外層の圧縮応力が相殺される必要があります。処理技術が異なると、内部および外部の引張応力と圧縮応力の値が異なり、強化ガラスの強度も異なります。この「強さ」は、静的強さと動的強さの 2 つのカテゴリに分けられます。例えば、自動車のサイドウィンドウは一般的に強度200MPaのT2レベルですが、自動車のフロントガラスは強度300MPaのT3レベルです。ここでの200MPaと300MPaは静的強度を指します。自動車のガラスは一般的に第 1 レベルまたは第 2 レベルの強化ガラスで、衝撃強度はそれぞれ 60 J/m2 と 45 J/m2 です。ここでの 60 J/m2 と 45 J/m2 は動的強度を指します。簡単に言えば、静的強度は力を表し、動的強度はエネルギーを表します。実際の損傷が発生すると、まず「静的」強度に達し、ガラスは亀裂発生の臨界点に達し、その後、動的強度に達し、発生した亀裂が完全に広がります。

安全ハンマーやシートのヘッドレスト、窓を割るツールなどを使用する場合でも、すべて物理的な破壊であり、先ほど述べた強化ガラスの破壊原則を満たす必要があります。この粉砕原理によれば、強化ガラスの防御を破るのは実は非常に簡単です。それは主に、衝突速度、物体の質量、接触面積という 3 つの要因によって決まります。衝突速度と物体の質量は物体の運動エネルギーを直接決定し、運動エネルギーのこの部分は運動強度を克服するために使用できます。接触面積は力を受ける領域の応力を直接決定し、この応力は「静的」強度を克服するために使用できます。

写真はTuchong.comより

シートのヘッドレストがガラスに当たると、サイズが大きく、質量が分散した状態になります。ガラスとの接触面積はかなり小さいのですが、衝突速度が十分ではなく、狭い空間では加速する余地がありません。なお、ヘッドレストの金属棒は窓を割るために特別に使用されているわけではありません。素材に特別な処理が施されておらず、強化ガラスは硬いため、金属素材は衝撃を受けたときに変形しやすくなります。したがって、窓を割るのはあまり効率的ではありません。窓を壊すアーティファクトはどのようにして窓を壊すのでしょうか?

1枚買ったのですが、強化ガラスもたくさん買いました。これはとても小さいです。重要な点は、片方の端がガラスに当たったときに、この端が内側に押し込まれることです。ある程度押すと、内部の鋼鉄の針が飛び出し、ガラスを砕きます。

この窓破壊兵器は、上記の 3 つの要素のうち、衝撃速度と接触面積の 2 つを備えています。アーティファクト自体は非常に軽量ですが、その高い衝撃速度により、自身の品質欠陥を補い、大きな運動エネルギーを生み出します。エジェクタピンは十分な硬度と剛性を持つように特殊処理されており、変形しにくいです。先端面積が小さいため、大きな応力が発生しやすく、強化ガラスの外側の圧縮応力防御層が破壊されます。遺物の中にはバネが入っています。このように押すと、エネルギーがバネに伝わり、蓄えられます。ある程度まで押し込んだ後、機構が作動してスプリングが解放され、すべての弾性位置エネルギーがエジェクタピンに伝達され、エジェクタピンの運動エネルギーに変換されます。スプリングの剛性が高く、圧縮ストロークが長いほど、エジェクタピンの運動エネルギーが大きくなり、より厚いガラスを破壊できます。

つまり、この窓破壊装置は完全に内部のバネに依存しています。台風の天気ですので、学生の皆さんは安全に気をつけて過ごしてください。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 王永建

レビュアー: 周小良

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司