【杯子為什么自己倒了,為什么有時(shí)玻璃杯會(huì)破裂】只有學(xué)了材料力學(xué)才能解決 。//www . toutiao . com/I 660059520879821325/(爆炸玻璃的熱力學(xué)分析——熱水倒入冷玻璃)，這可能會(huì)讓你不高興，但領(lǐng)導(dǎo)不會(huì)管那么多 。畢竟不管怎么樣，領(lǐng)導(dǎo)都不會(huì)讓自己喝醉，有當(dāng)眾出丑的機(jī)會(huì) 。
往玻璃杯里倒熱水時(shí)，為什么有時(shí)玻璃杯會(huì)破裂？
玻璃杯的破裂，是熱應(yīng)力在搗鬼 。常溫或低溫的玻璃杯，再收到內(nèi)部熱水的加溫后，杯壁內(nèi)熱外冷，從而容易出現(xiàn)裂紋，下面我就稍微詳細(xì)介紹下1）這個(gè)裂紋究竟是如何形成的，2）它的位置又出現(xiàn)在何處，3）如何防范玻璃杯的破裂 。1、玻璃杯裂紋的成因正如題主所說，玻璃杯發(fā)生破裂的原因就在于熱水的倒入，物體的熱脹冷縮是一個(gè)較為普遍的規(guī)律，玻璃也不例外 。
不同的材料，熱脹冷縮的效果也是不一樣的，通常用熱膨脹系數(shù)來表示，常見材料的熱膨脹系數(shù)如下圖，熱膨脹系數(shù)的物理含義是材料在溫度升高1k的時(shí)候，其伸長量的一個(gè)衡量 。這個(gè)值越大，表明這種材料越容易受溫度影響，上圖中可以看到，普通玻璃熱膨脹系數(shù)是7.1e-6/k左右 。相對于一些鋼銅等金屬來講，玻璃已經(jīng)是比較難以發(fā)生熱脹冷縮的材料了，
2、裂紋出現(xiàn)的位置實(shí)際上，學(xué)過初高中物理的同學(xué)們都知道物體會(huì)熱脹冷縮，也知道冷玻璃在倒入熱水后容易發(fā)生爆裂 。但是，如果沒有系統(tǒng)學(xué)過力學(xué)，應(yīng)該是不清楚這其中的機(jī)理的，熱脹冷縮只是一個(gè)籠統(tǒng)的原因，在這個(gè)籠統(tǒng)的原因下，玻璃杯究竟如何膨脹起來，又究竟為何會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)在什么位置？只有學(xué)過了材料力學(xué)才有可能解答 。
玻璃杯的炸裂，永遠(yuǎn)都是發(fā)生在倒水的那一瞬間，熱水倒入冷杯后，玻璃杯的內(nèi)側(cè)由于熱水的加熱而溫度升高，但是外側(cè)還未來得及升溫 。于是就導(dǎo)致了上圖所示的溫度分布狀態(tài)，紅色代表高溫，藍(lán)色代表低溫 。從溫度分布來看，無論是環(huán)向還是縱向，其分布都是均勻的，但是在玻璃杯的厚度方向，溫度分布不均勻，存在著溫度梯度 。正是這個(gè)厚度方向的不均勻，才導(dǎo)致玻璃杯的炸裂，
我們分別看一下環(huán)向和縱向熱脹冷縮后的樣子，如上圖 。環(huán)向會(huì)整體放大一圈，縱向內(nèi)側(cè)會(huì)升高，由于玻璃杯口是自由的一種狀態(tài)，內(nèi)側(cè)可以自由伸縮，所以在縱向很難產(chǎn)生裂紋 。但是在環(huán)向，內(nèi)側(cè)溫度高想要膨脹，而外側(cè)溫度不變不想膨脹，于是內(nèi)側(cè)強(qiáng)迫膨脹變大，推動(dòng)著外側(cè)也有所變大 。但是，內(nèi)測始終受外側(cè)的約束，處于壓縮的應(yīng)力狀態(tài)，而外側(cè)則由于內(nèi)側(cè)的擠壓反而是拉伸的應(yīng)力狀態(tài)，
世界上，絕大多數(shù)材料都是耐壓不耐拉，而且拉壓性能差別還非常大 。比如有機(jī)玻璃抗拉強(qiáng)度55~77Mpa抗壓強(qiáng)度130Mpa，正是由于這種拉壓不等的性能，外側(cè)的玻璃首先被拉裂了 。3、如何防范玻璃杯的破裂知道了上述原理，我們可以從以下幾個(gè)方面來預(yù)防玻璃杯的炸裂：1）選用更高品質(zhì)的玻璃，即選用熱膨脹系數(shù)更小的玻璃材料，從而使得溫度的影響盡可能地降低 。
隨著玻璃制造工藝的提升，熱膨脹系數(shù)已經(jīng)比早期降低了許多，2）設(shè)計(jì)更合理尺寸的玻璃杯 。炸裂的玻璃杯主要原因在于厚度方向的溫度梯度，厚度越薄，溫度梯度就越大，由此造成的熱應(yīng)力分布也差別越大，從而更加容易發(fā)生破裂，現(xiàn)在的玻璃杯不像以前，倒入熱水容易炸裂 。經(jīng)過設(shè)計(jì)以后，即使玻璃品質(zhì)差一點(diǎn)，只要厚度足夠，也是不容易發(fā)生破裂的，
4、總結(jié)玻璃杯的炸裂，原因在于水杯環(huán)向厚度方向的溫度不均勻，由此造成熱應(yīng)力的分布不均 。內(nèi)側(cè)受壓，而外側(cè)收拉，玻璃的拉伸極限應(yīng)力又小于壓縮極限應(yīng)力，從而外側(cè)首先產(chǎn)生裂紋 。PS：詳細(xì)的有限元分析參見我之前的原創(chuàng)文章：https://www.toutiao.com/i6660059520879821325/（爆炸的玻璃杯——熱水倒進(jìn)冷杯熱力學(xué)分析），
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