馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

馬斯克,全世界最具煽動力的企業家。旗下公司特斯拉最新電動皮卡Cybertruck一經亮相就歡呼一片,不過,也有網友「提醒」——如今的馬斯克和特斯拉,往往是「新品發佈猛如虎,真到交付原地杵」,交貨時間和實際收到的車子品質是否真如發表會上所說的那麼美好,恐怕要打個問號。不過,這次不用等到交貨,在發表會現場就發生了個眾所皆知的尷尬事件:車窗裂了。

在現場展示個過程中,發生了件尷尬的畫面:號稱能防彈的玻璃,並沒有完美擋住助手甩出的鋼球。當場被來了個double kill。現場一度非常尷尬。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

這個場面也引起了廣泛討論,有人吐槽品質,也有人認為可能是失誤。但也有不少人認為,這是不是馬斯克故意進行的一場表演,好讓他獲得更多的傳播和銷量? 

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

來自美國路易斯安那東南大學的物理學副教授瑞德‧阿蘭(Rhett Allain),用物理學知識進行了分析,解釋了為什麼會發生這種現象,用到的基本上都是高中學的物理知識,整個過程就相當於解一道題。

不過在開始分析之前,還是先快速還原下現場~

 

問題:為什麼落下的鐵球傷不了的玻璃、卻會被砸裂?

為了展示車窗防彈玻璃強悍的性能,馬斯克大手一揮,讓助理拿著鋼球上場。對準車窗砸過去,然後意想不到的一幕發生了,玻璃應聲而碎。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

問題是,在這位助手上場之前沒有幾分鐘,現場才做過一次實際的驗證,他們在平面上先放上普通汽車玻璃,鋼球落下,玻璃碎了。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

然後換Cybertruck的玻璃測試,從更高的地方落下來都毫髮無傷。

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回到發表會現場,所以,在第一個玻璃裂開之後,馬斯克覺得玻璃不該這麼容易碎裂,他認為是不是用勁太大了?在他的示意下,鋼球又砸向了後窗玻璃。

儘管力度已經減小了很多,但玻璃還是非常脆弱。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

馬斯克隨後只好解釋說,「至少沒有穿過去,看來我們還有很多的事情要做。」

那為什麼防彈玻璃能夠經受住高處的自由落體,卻被隨手甩出的鋼球砸爛了?

 

物理學分析:和安裝方式有關

瑞德‧阿蘭決定用物理學知識揭開答案。先來看一下垂直往下砸的情況:

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

雖然這位工作人員沒說他到底爬了多高,但從影片中可以看到,球在管道末端出現,掉落到玻璃板上的時間大概是0.267秒。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

粗略假設初速度為0,加速度為g=9.8m/s,根據公式:

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

這段距離就大概是0.35公尺。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

工作人員放下鋼球的高度大概是這段距離的10倍,那麼球到玻璃板之間的距離就是3.5公尺。當然不精確,不過對這次分析而言也足夠了。

知道了下落高度,根據v^2 = 2gh這個公式,就可以計算出鋼球撞向玻璃板時的速度,約為8.3m/s。

而市面上出售的棒球大小的鋼球大概有1.9kg重,那麼根據動量p = mv,就可以算出鋼球衝擊玻璃板時的動量為15.7kg‧m/s。

動能K則可以根據公式K =1/2*m*v^2計算,為65.5J。

也就是說,特斯拉皮卡採用的玻璃板完全能承受住15.7kg‧m/s的衝擊。

 

那麼,問題出在哪?

首先需要進行一些必要的假設:

  • 工作人員的投擲動作,讓鋼球從靜止到達到最終速度時,移動了大約1公尺的距離。
  • 球的加速度不變。
  • 從影片中得到,鋼球的運動時間約為0.27秒。

因為加速度不變,平均速度就等於初始速度和最終速度之和除以2,同時也等於總路程除以總時間。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

於是就求出了現場鋼球砸向車窗玻璃的最終速度是7.4m/s,動量是14.1kg‧m/s。小於從3.5米高度垂直下落測試中的15.7kg‧m/s。

按照這個結果,車窗玻璃應該就像馬斯克說的那樣不會碎才對,那麼是哪裡出了問題?

可能是和安裝方式有關。

在垂直下落測試中,玻璃板用夾具固定。這些夾具不是完全剛性的,也就是說在受到鋼球撞擊時,玻璃板的移動空間比較大。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

△Rhett Allain繪製

而在特斯拉皮卡上,玻璃板被牢牢固定在車門窗框裡,位移空間比較小。

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

△Rhett Allain繪製

假設在垂直下落測試中,玻璃被撞擊時移動了1公分,而發表會現場,玻璃僅移動了0.2公分。那麼根據公式:

馬斯克的防彈玻璃為什麼會被砸碎?這是一道高中物理問題

在動能變化大致相同的情況下,固定在窗框中的玻璃承受的力,就5倍於垂直下落實驗中玻璃承受的力。

於是,馬斯克的車窗,碎裂了。

 

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