我們日常出行時，可以發現公交車、地鐵或高鐵的車窗玻璃上都安裝有破窗器。當遇到危險，需要從窗口逃生時，乘客可以利用破窗器將堅固的鋼化車窗玻璃輕鬆擊碎，從而打開救命通道。
那麼同學們有沒有思考過，小小的破窗器為什麼可以輕易地將車窗玻璃擊碎呢？這其中有什麼特殊的原理嗎？
要探究這個問題，我們首先需要搞清楚兩種截然不同的材料性質——脆性和韌性。
材料的物理性質：脆性和韌性
就像是可燃與不可燃、透明與不透明等材料特性一樣，脆性和韌性是一對截然相反的材料物理性質，可以用來描述固體材料的變形能力。
橡膠的韌性很明顯，可用作汽車輪胎的原材料（圖源見水印）
作為一種典型的脆性材料，當玻璃的某一個局部區域由於損傷而出現裂紋時，這些裂紋便會迅速地向外擴展，從而造成整個玻璃的破碎。
此外，用於汽車的玻璃還是經過特殊處理的鋼化玻璃。與普通玻璃相比，鋼化玻璃在初始損壞點向外蔓延的裂紋數量更多、更密集，最終會碎裂成無數尺寸較小的玻璃渣，不僅有利於高效破窗，更可以避免出現威脅乘客安全的較大銳利尖角。
鋼化玻璃和普通玻璃破碎形態的對比（圖源：愛卡汽車）
正是基於玻璃的這種物理特性，破窗器才可以做到高效破窗！
手動式破窗器：動能破窗
最初，公共交通車輛上最常用的破窗器是手動式破窗器，又叫做安全錘。
公交車上安裝的安全錘（圖源：新浪）
安全錘的結構非常簡單，一般由把手和鋼製錘頭組成。與普通的圓頭錘相比，這種錘頭具有尖銳的頭部。
我們在物理課本上學過，在同樣的壓力作用下，接觸面積越小，壓強越大。所以，頭部尖銳的安全錘可以比普通錘頭更為容易地使車窗玻璃發生初始損壞。
普通錘頭無法造成車窗玻璃的破碎（圖源見水印）
安全錘可以輕易擊碎車窗玻璃（圖源：騰訊）
在使用安全錘破窗時，我們需要握緊把手，然後把安全錘掄起來，最後使勁地擊打到玻璃上。在這個過程中，手臂對安全錘所施加的動能轉化為匯聚在撞擊點附近的內能。當內能足夠大時，車窗玻璃就會在撞擊點附近出現初始的損傷。
不過，通過上文我們可以發現，安全錘有著難以忽視的缺點：掄安全錘的動作需要較大空間；對於兒童、老人等力氣比較弱的乘客來說非常吃力。這樣一來，在遇到危險時，安全錘很有可能無法發揮出預定的破窗作用。
自動式破窗器：勢能破窗
針對上述手動破窗器的缺點，自動破窗器應運而生，並正在陸續安裝到國內的公共交通車輛上。下面這個圖可以清楚地展示出自動破窗器的優勢所在：
由於小轎車內空間較小，因此安全錘的作用被明顯削弱，而自動破窗器則可以高效破窗（圖源：騰訊）
那麼，如此高效的自動破窗器又用到了什麼原理呢？目前，市面上常見的各類自動破窗器均大同小異，一般由尖銳的撞針和觸發裝置組成。
撞針的作用原理與手動破窗器相同，都是通過減小接觸面積來提高在衝擊點施加給玻璃的壓強。而與安全錘不同之處則在於，針頭所需的動能來自於其內部安裝的高強彈簧。
一種自動破窗器的結構圖。其中6為撞針，5為彈簧。（圖源：文獻[1]）
在未觸發之前，高強彈簧以壓縮狀態被固定在破窗器內部，存儲了大量的彈性勢能。當我們按動、旋轉按鈕時（或由溫度、煙霧等傳感器自動觸發），破窗器就會立刻解除對彈簧的限制。然後，得到釋放的高強彈簧便在瞬間將彈性勢能傳遞給了與之接觸的針頭，從而將車窗玻璃成功擊碎。
這種自動破窗器優點非常明顯：使用時所需空間非常小；適用於任何體質的乘客，成功率很高。
破窗器為何需要敲擊玻璃的一角？
瞭解了破窗器的工作原理，現在我們再來思考一下：為什麼需要敲擊車窗玻璃的一角？敲擊中間位置可以嗎？
自動破窗器一般安裝在車窗玻璃的一角（圖源：新浪）
破窗器敲擊位置的選擇，與破窗效率有關。玻璃雖然是脆性材料，但是其在發生損傷之前，仍然存在一個可恢復的彈性階段。
假如破窗器的敲擊位置處於車窗玻璃的正中心，那麼在發生初始損傷前，玻璃會出現幅度較大的彈性變形階段。這一彈性變形會消耗掉一部分破窗器的動能，從而降低破窗的效率。
而相反地，假如破窗器的敲擊位置處於車窗玻璃的一角，那麼車窗玻璃框架會對車窗玻璃起到明顯的約束作用，使其無法出現較大的彈性變形，從而使破窗器的動能可以“物盡其用”，最大程度地用於造成玻璃的初始損傷。
最後，還要提醒同學們：破窗器是專業的救險工具，我們要剋制住自己的好奇心，千萬不要隨意觸摸自動破窗器，否則會影響公共秩序，很容易出現危險！
參考文獻：
[1] 範繼昌, 張向峰, 張向春. 一種溫控破窗器[P].2017.
[2] 八年級物理下冊,義務教育教科書,人民教育出版社,2012.
[3] 高中物理選修2-2,義務教育教科書,人民教育出版社,2007.
END
審核專家
北京師範大學物理系副教授 張宏寶
蝌蚪五線譜原創文章/轉載註明來源
責編/心與紙
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