特斯拉皮卡的防弹玻璃,为什么会被小钢球砸碎?

图片来源:H.W. CHIU/AP


来源 | Wired等

编译 | 吴非


上周五,在洛杉矶的特斯拉设计中心,埃隆·马斯克正式公布了特斯拉的首款电动皮卡——Cybertruck。这款公众期待已久的车型,充满了能够吸引大众目光的亮点:灵感源自《银翼杀手》、充满未来感的外形;超越跑车的百公里加速能力;未来将登陆火星的特殊使命……



然而,令马斯克始料不及的是,整场发布会却被一枚钢球抢了风头。在验证“特斯拉装甲玻璃”结实程度的测试中,马斯克遭遇了尴尬一幕:Cybertruck的防弹玻璃,意外地被钢球砸出了两个洞。



现场翻车”


当时,现场到底究竟发生了什么?让我们先来回顾下当时的情形。


在这次意外之前,Cybertruck已经顺利通过了几轮测试:马斯克的助手手持大锤挥向Cybertruck的车门,车门纹丝不动;


从3米多高落下的钢球砸中这款皮卡使用的防弹玻璃时,玻璃也毫发无损。


接下来,信心十足的马斯克指挥助手将同一枚钢球扔向Cybertruck的前窗玻璃,意外却发生了:玻璃被砸碎了。


现场气氛瞬间尴尬了起来。马斯克试图挽尊:“看来扔的力气大了点”“好在(钢球)没有穿过玻璃”。为了挽回颜面,助手小哥拾起了钢球,减轻力度向后排玻璃掷去……


一秒钟之后,double kill达成。


对于这样的场面,马斯克也不知道怎么解释了。随后,他站在这两面破损的车窗玻璃前,完成了接下来的演讲。


尽管马斯克无法解释这个意外,但在美国东南路易斯安纳大学的物理学家Rhett Allain看来,这次“翻车”是物理学原理可以解释的。在一篇刊登于《连线》杂志的博文上,Allain用简单的力学知识阐述了这一事件的机理。



背后的物理学


问题到底出在哪?为什么同样一枚钢球,从高空自由落体时,特斯拉的装甲玻璃可以抵御其冲击力;但轻轻地砸向安装在原型车的玻璃时,却会将玻璃砸碎?


为了找到答案,Allain首先分别估算了这两种情况下,玻璃受到的冲击力,也就是冲量大小。


首先是从高空落下的钢球。从上文的动图可以看到,马斯克的助手爬上了一架梯子,随后将小球沿着管道释放。这样的过程,可以用最简单的中学物理知识来模拟:钢球的下落近似于自由落体。因此,钢球最终砸向玻璃的速度,就完全取决于它的下落距离。


这样的距离如何估算?Allain注意到了两个细节:第一,如下图所示,钢球从出现在管道的底部,到落在玻璃上,这段时间是可以通过数帧数准确算出的。Allain测得,这段时间是0.267秒;


另一方面,根据下图进行估算,可以认为这段距离,是钢球完整下落高度的十分之一。将这些信息带入自由落体的公式(重力加速度g取9.8 m/s2),算出钢球的下落距离是3.5米。因此,钢球砸向玻璃的速度是8.3 m/s。


下一个问题,是估算这枚钢球的质量。对此,我们没有准确的数据,但是可以根据在售的钢球进行估计。在市面上,这样一枚棒球大小的钢球,质量大约是4.2磅(相当于1.9千克)。


于是,Allain采用上述数据,算出了钢球落下的动量为15.7 kg·m/s


那么,当马斯克的助手进行破坏性的一掷时,钢球的动量是变得更大了吗?


同样,Allain对这个过程中的动力学数据进行了估算。为此,Allain首先根据视频,做出了以下3条假设:

· 助手投球时,钢球与玻璃的初始距离是1米;

· 钢球在飞行过程中,加速度保持不变;

· 通过视频判断,钢球的飞行时间大约为0.27秒。


基于这样的假设,我们很容易算出钢球砸向玻璃的速度是7.7 m/s。相应的动量也随之得出:14.1 kg·m/s


慢着,你可能也注意到了,砸碎玻璃的这一掷,动量是14.1;而钢球从高空落下时,动量更大(15.7)。即使考虑到估算过程中的误差,自由落体的钢球对玻璃的冲击力,至少应该与掷向玻璃的钢球相当,但为什么两块玻璃的状态出现天壤之别呢?



问题的关键


Allain指出,造成不同结果的关键区别,在于两种情况下玻璃安装方式的差异。


小球自由落体时,玻璃是被8只夹具固定住的。这种固定方式不是完全刚性的,允许玻璃在受到冲击时,出现一定的位移。


但当同样的玻璃被镶嵌在车门中,玻璃被牢牢固定住,位移的空间远远小于前者。


上述计算已经告诉我们,在这两种情况下,小球以几乎相同的速度(或者说动量)撞向玻璃,随后受到玻璃的作用力而停下来。当玻璃被嵌在车窗中时,玻璃的位移(以ST表示)较短;而被夹具固定的玻璃,位移(Sg)更长。


绘图:RHETT ALLAIN


根据动能定理,我们知道玻璃在这一过程中做的功等于作用力与距离的乘积W=F·S。


这时,你可能已经发现端倪了:玻璃做的功等于小球动能的变化,而玻璃做功的效果,都是让小球停了下来。小球初始动能相当、最终的动能都是0,因此,这两种情况下,玻璃做的功相等。


终于,答案呼之欲出:被嵌在车窗中的玻璃位移更短,因此受到的作用力更大。基于现有的数据,我们无法准确计算两者作用力的差距。Allain做了一个简单的假设:被夹具固定的玻璃受到冲击时,位移为1厘米;嵌在车窗里的玻璃位移2毫米。这时,后者受到的冲击力,是前者的5倍之多,因此破裂的可能性也就大大增加了。


值得一提的是,事后马斯克终于在Twitter上成功挽尊:看,我们私下的钢球测试很成功嘛。


不过,发布会现场的“翻车”画面已经成为事实。在发布会后,用户的反馈如何?我们看到了一些有趣的数据:


一方面,马斯克公布了喜人的销售数据。在Cybertruck发布的当天,他们已经接到了14.6万张订单。其中,Cybertruck的单电机、双电机及三电机版本销量分别占17%、42%和41%,这三款车型的售价分别为3.99万美元、4.99万美元与6.99万美元。因此,特斯拉当天的预期收入就达到了82.5亿美元。截至目前,Cybertruck的订单量已经接近20万张。


但另一方面,市场却给出了相反的反馈。发布会次日,特斯拉的股价下跌了6.14%。与此同时,特斯拉在皮卡领域的主要竞争对手福特和通用汽车的股价上涨了约2%。根据福布斯的数据,马斯克的个人净资产在一天之内缩水了7.68亿美元(相当于54亿人民币)。


当然,市场对Cybertruck的唱衰是出于多重考虑,而不仅仅是因为那两个洞。例如,Cybertruck的外形在很多人看来难以接受,另外其作为皮卡的运载能力也受到质疑。但无论如何,这次现场的意外已经深入人心。而要彻底打消用户的顾虑,马斯克只能等待Cybertruck于两年后开始生产、继而真正上市后的表现了。


参考链接:

https://www.wired.com/story/a-physics-analysis-of-teslas-shattered-cybertruck-windows/




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