特斯拉皮卡的防弹玻璃，为什么会被小钢球砸碎？

来源：环球科学

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，再加上小球的初始速度为0，我们很容易算出钢球砸向玻璃的速度是7.7 m/s2。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/