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2018年9月16日,今年第22号超强台风“山竹”在广东登陆,造成了财产损失和人员伤亡。“山竹”这个名字是泰国起的,在此之前,泰国起的台风名字叫做“榴莲”,2006年,台风“榴莲”在菲律宾等国家登陆,造成了近千人死亡,数百万人受灾的巨大损失,由此“榴莲”被除名, 代之以“山竹”。现在看来,“山竹”这个名字也用到头了,以后再起台风名字别用水果。
在台风来袭时,经常会打碎居民的窗户,所以许多人在窗户上贴米字形胶带,据说这样可以防止窗户被打碎。这样做真的有用吗?
1风压的产生
台风对玻璃窗的破坏力有三个来源:异物撞击(石子、广告牌等), 玻璃共振和风压。前面两种情况有很大随机性,不好讨论,我们在这里主要讨论一下不同的风速对玻璃窗的压力大小。
在台风向一栋大楼的过程中,由于大部分门窗都是紧闭的,风会绕过大楼,所以,贴近窗户的风向基本都是平行于玻璃。即使最初风是朝着大楼吹去,也会由于墙壁、玻璃的阻挡改变方向,最终平行于玻璃运动。
由于门窗紧闭,窗户玻璃内部的空气流速接近于零,而窗户外面的空气流动速度很快,由于两侧空气流速不同,就会形成压强差,这就是我们之前讲过的伯努利原理:
空气是一种流体,在空气流动的过程中,近似满足方程。
其中ρ表示空气密度,大约1.29kg/m3,v表示空气流速,g是重力加速度g=9.8m/s2, h表示高度,P表示空气压强。
由于同一块玻璃内外高度h、空气密度ρ和合重力加速度g都是相同的,但是窗外空气流速为v,窗内空气流速为0,所以上述方程可以改写成:
这样一来,屋内的气压就比屋外的气压高,压强差
也就是说,压强差与空气流速的平方成正比,空气流速越快,压强差越大,这就是风压的来源。如果外侧空气流速太快,风压就会把玻璃压碎或者把窗户整个推到外面去。杜甫诗云:八月秋高风怒号,卷我屋上三重茅。也是因为屋子内外空气流速不同,造成的压强差掀翻了屋顶。
2风级与风速
人们按照风速的不同,把风分为许多级别,下面这个表格显示了不同风的风速大小。我们把风速代入压强差公式,就可以计算风压的大小。
从12级风以上的风,很少能够在陆地上生成,而多数是在海洋上生成的台风。登陆时如果风力依然在12级以上,就会造成极大的破坏。根据中央气象台的测定,台风“山竹”在海上阵风已经达到17级,而在登陆时风力也达到了14级,是今年当之无愧的第一超强台风。
根据表格,当“山竹”在广东登陆时,风力有14级,此时风速在46m/s左右。按照伯努利方程,此时玻璃内外压强差大约1364Pa,Pa读作帕斯卡,意思是1牛顿的力加在1平方米的面积上构成的压强,1364Pa表示:如果窗户的面积是1平方米,那么它将承受1364牛顿的力,大约相当于一个重270斤的胖子的体重。
3在玻璃上贴胶带有用吗?
这个做法由来已久,在二战时,人们就习惯于在窗户上贴胶带,用来防止炸弹波把玻璃打碎。
但是那个时候的玻璃都比较小,而且也很薄。现在的玻璃更大,而且质量也更好,贴胶带还有作用吗?对这个问题,许多人都给出了相反的解答。我想,还是应该通过实验来验证这个结果。
台湾有一档节目《流言追追追》,专门在风洞实验室进行了测试。
他们首先测试了5mm玻璃在没有贴任何胶带情况下的承压能力,当气压加到一定值时,玻璃破裂了。
然后他们又贴上了米字、口字、井字形的胶带,记录玻璃破裂时的气压值。为了让实验结果更加普遍,他们每种情况做了两次。
我们把测量结果列成表格:
我们会发现:贴米字形胶带和井字形胶带,反而会使玻璃的承压能力变差。口字形胶带相比前两种稍好,但是与不贴胶带相比承压能力也没有明显提升。这个节目甚至做了一个终极实验:把整个玻璃贴满胶带。
结果,到了4189Pa的时候,整个玻璃都飞了出来。也就是说,贴满胶带的时候玻璃的承压能力也没有不贴胶带的时候好。
为什么贴了胶带反而不如不贴胶带呢?风洞实验室的科学家介绍:这可能是由于胶带改变了玻璃的应力结构,使得玻璃反而更容易破裂了。
贴胶带没用这个结论还有许多权威机构支持。例如美国大气与海洋局(NOAA)也曾发布警示:不要在台风天在玻璃上贴胶带。因为一来这样会浪费胶带,清除胶带也很费力气,二来这种做法对玻璃的承压能力并没有多少帮助,也无助于防止碎玻璃飞溅。最重要的是,这会在玻璃破碎时本来可以小块散落的玻璃变成大块,增大对人的伤害。
4那我们该怎么办?
把玻璃改为强化玻璃是一种最好的防台风方法。强化玻璃配合钢质边框,可以承受绝大多数台风的侵袭。强化玻璃是一种特殊的玻璃制作工艺,它会使得玻璃的强度和柔韧性提高数倍,现在景区的玻璃栈道,客车车窗,银行柜台等都使用的是强化玻璃。强化玻璃即便碎了,也只会碎成没有棱角的小块,不会伤人。
国家规定:七层以上的外窗、面积大于1.5平方米的玻璃必须安装强化玻璃。如果你家安装的是强化玻璃,那就更没有必要贴胶带了。
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李永乐
李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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