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為何打風爆窗碎片散在室外?

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為何打風爆窗碎片散在室外?

每當有颱風襲港,都不時會有新聞報道關於建築物窗戶爆裂的事件。大家若細心可能會留意到,建築物的玻璃窗不一定在迎風面破碎,並且有時會見到玻璃碎片甚至冷氣機墜至室外(圖一)。到底背後有什麼原因?

其實「打風」時玻璃窗碎裂主要有以下三個原因: (1)一些被風吹起的堅硬物件撞擊玻璃窗使之碎裂; (2)建築物在迎風面直接受到風壓(即風荷載[1])影響,並超過玻璃窗所能承受的; (3)大風吹過建築物導致室內和室外的氣壓有差異,造成的力量超過玻璃窗所能承受的。關於最後一點,我們可用白努利原理去理解。白努利原理來自能量守恆定律(即動能、位能、內能的總和保持不變),簡單的演繹是: 當流體(例如空氣)的流動速度增加時,如果高度不變,其壓力會減少。

白努利原理有多方面的應用,例如飛機機翼的設計,特別令到經過機翼頂部的氣流較經過機翼底部的氣流為快。根據白努利原理,機翼頂部所承受的壓力會比機翼底部的為低,從而產生向上的升力(圖二),讓飛機可以抗衡自身的重量而浮在空中。

在城市裡某些相鄰建築物的外牆距離較小,當氣流經過它們之間收窄了的通道,便會產生風洞效應而加速。根據白努利原理,通道內的氣壓因而下降,從而對兩旁的建築物形成一股吸力,有機會令建築物表面的物件(如玻璃或冷氣機)被扯出室外(圖三)。 就算是單座的建築物,當大風吹過時,在建築物的迎風面,由於氣流減速,會產生一正壓區;若建築物的迎風面有缺口(例如窗戶間的空隙),便會連帶室內也產生正壓力,再加上白努利原理引致的壓力差,會令到建築物的側面及背風面形成一股向外力(請參看圖四),將建築物表面的物件扯出室外。

因此以後「打風」時,對於一些就算不在迎風面的窗戶,也切勿掉以輕心啊!

圖一

圖一 2018年強颱風山竹襲港期間,部分地區的玻璃幕牆碎片墜落在街道上。(2018年9月16日YW Ng攝於紅磡)

圖二

圖二 氣流通過飛機機翼時會被分開,機翼的形狀設計令頂部氣流的流動比底部的快,產生垂直的壓力差,為飛機提供升力。

圖三

圖三 風洞效應在建築物產生之吸力(H代表室內氣壓較高,L代表室外氣壓較低,黑色箭咀顯示氣流方向,藍色箭咀顯示吸力之方向)。

圖四

圖四: 當大風吹過建築物時,室內及室外不同方位的壓力分佈示意圖。若建築物的迎風面有缺口,再加上白努利原理引致的壓力差,會令到建築物的側面及背風面形成一股向外力。

參考:

[1] 屋宇署,2019: 香港風力效應作業守則2019年 [暫只提供英文版本]