文- 豬的米
很多人都有雨天行車的經驗,那么,你是否知道,在下雨天汽車要開多快才會讓雨滴砸碎擋風玻璃?
答案是:要非常非常地快。
我們知道,水在4攝氏度時體積最小、密度最大,約為1×103 kg/m3;空氣在0攝氏度及一個標準大氣壓下的密度約為1.293g/ m3。也就是說,水的密度遠比空氣大。但由于雨滴的體積很小,遠遠小于周圍空氣的體積,因此,就算天空下的是傾盆大雨,空氣中的水的重量也要小于空氣本身的重量。所以,即使雨滴的下落速度非常快,僅僅憑它們那微不足道的動能也不足以打碎擋風玻璃。
但凡事并不絕對,雖然在正常情況下,雨滴根本不會對擋風玻璃造成損害。不過,它們確實能打破超音速飛機的擋風玻璃。
當一顆雨滴以高速撞上玻璃表面后,一道沖擊波會反向通過雨滴內部;當多道沖擊波相遇后,會產生一系列極其復雜的反應。


正常情況下,這些沖擊波的傳播速度與聲音在液體里的傳播速度相當——約為1300米/秒,是聲音在空氣中傳播速度(當溫度為15度時,聲音的速度為340米/秒;溫度每上升/下降5度時,聲音每秒的速度上升/下降3米)的4倍。然而,當撞擊速度 非常高時,沖擊波的傳播速度要遠遠大于水中的聲速。
當雨滴撞向擋風玻璃時,雨滴會被玻璃表面和后來的雨滴前后夾擊,于是會向各個方向發生噴濺。
這些噴濺出來的水滴的速度,比本來已經超音速的雨滴的速度更快,甚至還要快過我們剛才提到的沖擊波的速度。
當雨滴以500米/秒的速度撞擊某一表面后,從接觸點飛濺出來的水滴速度超過6000米/秒——相當于音速的18倍。這些沖擊波產生的沖擊,足夠震碎玻璃
那么,這些噴濺出來的水滴是否能撞碎擋風玻璃呢?
國外的一篇論文模擬了雨滴以500米/秒的速度(相當于音速的1.5倍)撞擊某一表面后的現象,結果發現從接觸點飛濺出來的水滴速度超過6000米/秒——相當于音速的18倍。
這些沖擊波產生的沖擊,足夠震碎玻璃。
同時,沖擊波產生的最大壓強會出現在雨滴邊緣的擋風玻璃周圍,但持續時間只占撞擊時間的很小一部分。

除了撞擊直接產生的壓強以外,向四周飛濺的水滴也會對擋風玻璃造成損害。如果材料內部有微孔、裂縫或凸起,四濺的水滴撞上后會產生更多的新裂紋或使得已有的裂紋變寬。
當然,就算速度再快,雨滴僅憑一己之力并不能在玻璃上鉆出一個彈孔來——但是,一連串的超音速雨滴會像沙子一樣開始不停地啃噬玻璃表面,使它產生新的裂紋和凹坑(這種類型的“腐蝕”也會對蒸汽渦輪機的葉片造成損壞)。到最后,擋風玻璃還是要乖乖舉白旗投降。
所幸的是,普通的汽車沒法在不脫離地面的情況下開到1馬赫(1馬赫=340.3米/秒),所以在平常的雨天開車,擋風玻璃還是很安全的。但是,如果你膽敢開車經過一個有著強烈上升氣流的雷暴云團的話,不管你開多快,降水(冰)都會狠狠地砸碎你的擋風玻璃。

所以,結論是:雨滴通常不會撞破擋風玻璃,但當雨滴的速度非常高時,就會出現截然相反的結果。