Какое стекло безопаснее?

Вот и от меня актуалочка подъехала. Ударная волна – штука коварная, а стекла на окнах бывают разные. Сегодня расскажу, чем отличаются обычные бытовые стекла друг от друга, а в конце вы сами ответите на вопрос из заголовка.

Все мы знаем, что по своему химическому составу стекло – это диоксид кремния, в котором атомы соединены ковалентными связями, т.е. каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода путем обобществления их валентных электронов (рисунок 1). Также знаем, что стекло не имеет кристаллического строения, и многие считают, что оно аморфное, но я выделяю его в отдельную категорию состояний. О причинах этого я писал здесь.

Когда при нагрузке или ударе в стекле возникают упругие напряжения, превышающие определенный предел, из-за отсутствия дислокаций, которые можно этими напряжениями двигать, как в металлах, им ничего не остается, как разорвать ковалентные Si-O связи в трехмерной сетке атомов с образованием двух новых поверхностей, т.е. трещины. О трещинах в металлах и дислокациях с рассказывал здесь.

Существуют два основных состояния поставки стекла – сырое и закаленное.

Сырое стекло после его горячей формовки (мы же знаем, что горячее стекло похоже на пластилин и из него можно лепить все, что угодно) долго остывает. Это делается в специальных теплоизолированных печах, чтобы слой за слоем изделие охлаждалось очень медленно, и в нем не возникали внутренние напряжения.

Если такое стекло попытаться разрушить, приложив к нему статическую или ударную нагрузку, то на вершине возникшего или уже имеющегося микродефекта возникает концентрация колоссальных напряжений, которых более чем достаточно, чтобы разрушить не одну химическую связь, что и происходит. Большая накопленная на конце дефекта энергия мгновенно высвобождается, последовательно разрывая межатомные связи, и трещина распространяется прямолинейно с огромной скоростью (до 1,5 км/с) через все стекло.

Закаленное стекло производят, как вы уже догадались, методом закалки – нагревают до температуры выше 600 градусов и быстро охлаждают потоками холодного воздуха. Таким образом, из-за низкой теплопроводности этого материала, внешние слои быстро остывают и по законам физики хотят сжаться, а внутренние какое-то время остаются горячими и сохраняют увеличенный объем, не давая сжиматься внешним (о термическом расширении я писал тут). В итоге в поверхностном слое стекла возникают большие сжимающие напряжения, а внутри него – растягивающие (рисунок 2). Такое состояние дает стеклу два полезных свойства.

Во-первых, его тяжелее разрушить. Ведь при возникновении растягивающих напряжений, нужных для разрушения связей, им нужно сначала компенсировать сжимающие на поверхности стекла. Так сказать, сначала «расжать сжатое» а потом уже растягивать. Это дает более высокое предельное значение напряжений для разрушения.

Во-вторых, при преодолении сжимающих напряжений поверхностных слоев, возникшая трещина, пробравшись вглубь стекла, встречает уже накопленные растягивающие напряжения. Получается, что помимо и без того большой энергии, которую несет в себе движущаяся трещина, высвобождается еще огромное количество накопленной внутри стекла энергии растягивающих напряжений, и, по идее, она должна распространяться еще быстрее. Но в любой упругой среде трещина не может распространяться со сколь угодно большой скоростью. Эта скорость ограничена скоростью распространения упругих волн в среде.

А что происходит, если высвобожденная накопленная энергия больше, чем та, что дает трещине максимальную скорость? Ее излишку энергетически выгодно израсходоваться на образование новых фронтов разрушения (поверхностей). Таким образом, трещина в закаленном стекле начинает сильно ветвиться, приводя к разрушению стекла на множество мелких осколков, а не на несколько крупных, как в сыром состоянии.

Теперь вы можете ответить на вопрос, какое стекло безопаснее.

Да, еще, конечно существуют ламинированные стекла, покрытые ПВХ-пленкой. Там не важно, какое стекло использовать, ведь при разрушении все осколки остаются приклеенными к этой пленке.