飞针穿玻璃谈玻璃的脆性及塑性

王广

摘 要：基于新闻电视电影上看到一些少林武僧或所谓的江湖术士表演飞针穿玻璃的“绝技”，概略飞针穿玻璃原理及需要玻璃的力学特性，为大家揭秘飞针穿玻璃的奥秘。

关键词：材料力学；脆性；塑性；玻璃

一、实验过程：

按飞针的自转角度来分类，目前分3类：

1、直射；（握针尖的尾部使针尖旋转0--90°，在滑射技法和指控技法的运用下，可以略大于90°。）

2、半圈；（握针部使针尖旋转90°--270°，在滑射技法和指控技法的运用下，可以略大于270°。）

实验所用飞针

3、周圈。（握尾部使针尖旋转360°--450°，在滑射技法和指控技法的运用下，可以略大于450°。）从实际操作上来说，直射最简单，半圈次之，周圈最难。三者的关系是互补，对单个人来说，半圈的射程比直射远，可以补救直射够不着的距离，周圈更远，但控制起来难度较大。半圈实用性较强，从射程上可以代替直射，但直射代替不了半圈。

二：飞针表演对速度和角度的分析

?速度原理：根据生活常识我们知道针甩出去的力道越大，扎在物体上的深。进一步思考容易的出是针作用在物体上的平均力较大或者针带有能量较大。可以用物理的能量知识解释： ，由简单的能量守恒关系又有： .对于同一个针和玻璃，摩擦力F在同一深度相同，所以容易理解针初速度越大扎在针里面就越深。如果能量足够大便可以直接穿出。

?角度分析：军事上尤其是坦克或导弹打击目标时十分讲究角度，一般是垂直打击效果最佳，最容易穿破敌方的钢甲。飞针穿玻璃原理和导弹击打一样，所以保证针最后是垂直打在玻璃上也是表演成功的重要因素。

?力度分析：这里的力度不是表演者甩针是用的力度，那还是速度分析。这里的力度是针作用在玻璃上的力度。我们都知道用块砖头砸向玻璃，玻璃会粉身碎骨，而用枪打玻璃只会出现一个洞。载荷用 这里有集中载荷和分布载荷的区别。针头足够细确保了作用力是集中载荷和其足够大，如同作用在一点上击破一点而其他完好。那么为什么会出现这种情况，接下来分析玻璃的塑性和脆性。

三：玻璃塑性和脆性

在工程中，通常将延伸率较大（>5%）的材料成为塑性或延性材料；延伸率较小的材料称为脆性材料。通俗的理解就是，在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。在外力作用下，发生微小变形即被破坏的材料，称为脆性材料。。因此脆性材料抵当冲击载荷的能力更差。

同一个材料在不同力，不同温度下表现出脆性或塑性。一般来说影响材料塑性和脆性因素很多。低温能提高脆性，高温能提高塑性。高速荷载可以提高脆性，低速静载作用下保持脆性。比如钢铁，常温下为塑性材料抗击打能力强。但是极度寒冷下变成脆性材料，特别容易一折断甚至可以击碎。这里，飞针的速度很多，玻璃的脆性进一步提高。

實验效果

塑性材料的破坏应力是屈服应力，脆性材料的破坏应力是强度极限。玻璃通常情况下是脆性材料，所以如果针作用在玻璃上的载荷大于其强度极限，玻璃就会被破坏。那么为什么针穿过去而玻璃没碎，这里有两点原因：一是因为针是垂直打在玻璃上的；二是因为现在的玻璃一般是有机物，加热和拉伸处理过的有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有次序，使材料的韧性有显著提高。用钉子钉进这种玻璃，即使钉子穿透了，玻璃上也不产生裂纹。一般没有特别加工的玻璃会出现裂纹，如果力量足够大角度接近90度，裂纹是条状的，否则裂纹会较大如同树叶或蝴蝶。

总结：飞针穿玻璃本身并不是神秘的，主要是大家没有掌握物理原理以及对玻璃这种材料陌生而又熟悉。多掌握住科学知识，我们便能在大千世界中看出神奇的本质。

参考文献

[1]乌尔爱.玻璃的弹性与强度[M].王西成，梁淑妍，译.北京：轻工业出版社.

[2]王承遇，王敬舜.玻璃纤维表面裂纹的试验[J].硅酸盐学报，1966，5（1）：57-63.

[3]王承遇，卢琪，陶瑛.大连工业大学玻璃及无机新材料研究[A].北京力学会第18届学术年会论文集.2012，4.

[4]李大勇，本报特约记者，韩光.解放军报.2010，5.

（作者单位：中国矿业大学）