特斯拉皮卡的防彈玻璃,為什麼會被小鋼球砸碎?_風聞
重度选择恐惧症患者-2019-11-25 19:16
來源:環球科學
圖片來源:H.W. CHIU/AP
來源 | Wired等
編譯 | 吳非
上週五,在洛杉磯的特斯拉設計中心,埃隆·馬斯克正式公佈了特斯拉的首款電動皮卡——Cybertruck。這款公眾期待已久的車型,充滿了能夠吸引大眾目光的亮點:靈感源自《銀翼殺手》、充滿未來感的外形;超越跑車的百公里加速能力;未來將登陸火星的特殊使命……
然而,令馬斯克始料不及的是,整場發佈會卻被一枚鋼球搶了風頭。在驗證“特斯拉裝甲玻璃”結實程度的測試中,馬斯克遭遇了尷尬一幕:Cybertruck的防彈玻璃,意外地被鋼球砸出了兩個洞。
現場“翻車”
當時,現場到底究竟發生了什麼?讓我們先來回顧下當時的情形。
在這次意外之前,Cybertruck已經順利通過了幾輪測試:馬斯克的助手手持大錘揮向Cybertruck的車門,車門紋絲不動;

從3米多高落下的鋼球砸中這款皮卡使用的防彈玻璃時,玻璃也毫髮無損。

接下來,信心十足的馬斯克指揮助手將同一枚鋼球扔向Cybertruck的前窗玻璃,意外卻發生了:玻璃被砸碎了。

現場氣氛瞬間尷尬了起來。馬斯克試圖挽尊:“看來扔的力氣大了點”“好在(鋼球)沒有穿過玻璃”。為了挽回顏面,助手小哥拾起了鋼球,減輕力度向後排玻璃擲去……
一秒鐘之後,double kill達成。

對於這樣的場面,馬斯克也不知道怎麼解釋了。隨後,他站在這兩面破損的車窗玻璃前,完成了接下來的演講。
儘管馬斯克無法解釋這個意外,但在美國東南路易斯安納大學的物理學家Rhett Allain看來,這次“翻車”是物理學原理可以解釋的。在一篇刊登於《連線》雜誌的博文上,Allain用簡單的力學知識闡述了這一事件的機理。
背後的物理學
問題到底出在哪?為什麼同樣一枚鋼球,從高空自由落體時,特斯拉的裝甲玻璃可以抵禦其衝擊力;但輕輕地砸向安裝在原型車的玻璃時,卻會將玻璃砸碎?
為了找到答案,Allain首先分別估算了這兩種情況下,玻璃受到的衝擊力,也就是衝量大小。
首先是從高空落下的鋼球。從上文的動圖可以看到,馬斯克的助手爬上了一架梯子,隨後將小球沿着管道釋放。這樣的過程,可以用最簡單的中學物理知識來模擬:鋼球的下落近似於自由落體。因此,鋼球最終砸向玻璃的速度,就完全取決於它的下落距離。
這樣的距離如何估算?Allain注意到了兩個細節:第一,如下圖所示,鋼球從出現在管道的底部,到落在玻璃上,這段時間是可以通過數幀數準確算出的。Allain測得,這段時間是0.267秒;

另一方面,根據下圖進行估算,可以認為這段距離,是鋼球完整下落高度的十分之一。將這些信息帶入自由落體的公式(重力加速度g取9.8 m/s2),算出鋼球的下落距離是3.5米。因此,鋼球砸向玻璃的速度是8.3 m/s。
下一個問題,是估算這枚鋼球的質量。對此,我們沒有準確的數據,但是可以根據在售的鋼球進行估計。在市面上,這樣一枚棒球大小的鋼球,質量大約是4.2磅(相當於1.9千克)。
於是,Allain採用上述數據,算出了鋼球落下的動量為15.7 kg·m/s。
那麼,當馬斯克的助手進行破壞性的一擲時,鋼球的動量是變得更大了嗎?
同樣,Allain對這個過程中的動力學數據進行了估算。為此,Allain首先根據視頻,做出了以下3條假設:
**·**助手投球時,鋼球與玻璃的初始距離是1米;
**·**鋼球在飛行過程中,加速度保持不變;
**·**通過視頻判斷,鋼球的飛行時間大約為0.27秒。
基於這樣的假設,再加上小球的初始速度為0,我們很容易算出鋼球砸向玻璃的速度是7.7 m/s2。相應的動量也隨之得出:14.1 kg·m/s。
慢着,你可能也注意到了,砸碎玻璃的這一擲,動量是14.1;而鋼球從高空落下時,動量更大(15.7)。即使考慮到估算過程中的誤差,自由落體的鋼球對玻璃的衝擊力,至少應該與擲向玻璃的鋼球相當,但為什麼兩塊玻璃的狀態出現天壤之別呢?
問題的關鍵
Allain指出,造成不同結果的關鍵區別,在於兩種情況下玻璃安裝方式的差異。
小球自由落體時,玻璃是被8只夾具固定住的。這種固定方式不是完全剛性的,允許玻璃在受到衝擊時,出現一定的位移。
但當同樣的玻璃被鑲嵌在車門中,玻璃被牢牢固定住,位移的空間遠遠小於前者。
上述計算已經告訴我們,在這兩種情況下,小球以幾乎相同的速度(或者説動量)撞向玻璃,隨後受到玻璃的作用力而停下來。當玻璃被嵌在車窗中時,玻璃的位移(以ST表示)較短;而被夾具固定的玻璃,位移(Sg)更長。
繪圖:RHETT ALLAIN
根據動能定理,我們知道玻璃在這一過程中做的功等於作用力與距離的乘積W=F·S。
這時,你可能已經發現端倪了:玻璃做的功等於小球動能的變化,而玻璃做功的效果,都是讓小球停了下來。小球初始動能相當、最終的動能都是0,因此,這兩種情況下,玻璃做的功相等。
終於,答案呼之欲出:**被嵌在車窗中的玻璃位移更短,因此受到的作用力更大。**基於現有的數據,我們無法準確計算兩者作用力的差距。Allain做了一個簡單的假設:被夾具固定的玻璃受到衝擊時,位移為1釐米;嵌在車窗裏的玻璃位移2毫米。這時,後者受到的衝擊力,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,事後馬斯克終於在Twitter上成功挽尊:看,我們私下的鋼球測試很成功嘛。

不過,發佈會現場的“翻車”畫面已經成為事實。在發佈會後,用户的反饋如何?我們看到了一些有趣的數據:
一方面,馬斯克公佈了喜人的銷售數據。在Cybertruck發佈的當天,他們已經接到了14.6萬張訂單。其中,Cybertruck的單電機、雙電機及三電機版本銷量分別佔17%、42%和41%,這三款車型的售價分別為3.99萬美元、4.99萬美元與6.99萬美元。因此,特斯拉當天的預期收入就達到了82.5億美元。截至目前,Cybertruck的訂單量已經接近20萬張。
但另一方面,市場卻給出了相反的反饋。發佈會次日,特斯拉的股價下跌了6.14%。與此同時,特斯拉在皮卡領域的主要競爭對手福特和通用汽車的股價上漲了約2%。根據福布斯的數據,馬斯克的個人淨資產在一天之內縮水了7.68億美元(相當於54億人民幣)。
當然,市場對Cybertruck的唱衰是出於多重考慮,而不僅僅是因為那兩個洞。例如,Cybertruck的外形在很多人看來難以接受,另外其作為皮卡的運載能力也受到質疑。但無論如何,這次現場的意外已經深入人心。而要徹底打消用户的顧慮,馬斯克只能等待Cybertruck於兩年後開始生產、繼而真正上市後的表現了。
參考鏈接:
https://www.wired.com/story/a-physics-analysis-of-teslas-shattered-cybertruck-windows/