刷屏特技跑车拆解：没有反重力！全是高中物理考点

物理科普 · 高中物理知识点讲解

最近特斯拉第二代 Roadster 的特技发布会已经刷屏了：

21 米高的 C 形轨道上以倒置的状态贴近墙壁行驶，在空中进行翻转动作，并且可以安全地降落到地面。

有人感叹说："这就是反重力汽车，科幻照进现实。"

但是去掉炫酷的特效之后，整个过程都没有用到任何玄学或者黑魔法。

一套逆天的操作，就是大气压强、受力平衡、力矩转动、抛体运动等高中物理知识的综合运用。

今天我们要对这次顶级科技秀进行逐帧分析，并且把它转化为大众可以理解的物理学知识。

01 先辟谣，它肯定不是自由落体！

很多同学的第一印象是：车从 21 米高的地方掉下来，就是自由落体运动吗？

自由落体的准确含义是：

只受到重力的作用，初速度为零，并且不考虑空气阻力。

该车三者都不符合要求：

• 飞出轨道的时候具有水平初速度，并非从静止状态开始下落；

• 全程都有 SpaceX 冷气喷口提供的推力，并不是只受到重力的影响；

• 高速运动时空气阻力不能忽略不计。

实测的数据对比一目了然：

多出的 0.53 秒是向上喷射气体所产生的推力来克服重力、从而降低下落速度的一个直接体现。

并不是自由下落，而是可以调节加速度的状态下进行抛射。

02 两吨重的车倒挂，为什么掉不下来？

一辆重达两吨的汽车被倒置之后为什么不会掉下来呢？

特技版 Roadster 的整备质量大约为 2000 公斤（即 2 吨），所受重力约为 19600 牛顿。

一般的汽车开到倒置轨道上就会直接掉下去。

它可以紧紧地吸附在墙壁上，并且可以静止不动地悬浮起来，依靠的是大气压。

独家揭秘：底盘负压抽气系统（倒挂核心）

这套官方叫做多模式主动地面效应吸附系统的东西，结构非常精妙，分为三个步骤来完成任务：

1. 封锁腔（基本条件）

底盘四周设有可以伸缩的柔性密封裙边。

• 正常行驶时：裙子下摆收起来，不会影响到通行；

• 特技模式下：裙子下摆会伸出并紧贴在轨道上，将底盘与坡道之间留出的空间全部封闭起来，从而形成一个密闭的扁平空腔。

就比如吸盘上的橡皮圈一样，如果没有密封的话就无法产生负压。

2. 风扇抽气（产生负压）

底盘上安装了四台大功率高速涵道风扇，不断地将密闭空腔中的空气排出。

腔内的空气减少，密度减小，内部气压小于外界标准大气压，从而产生稳定的压强差。

3. 大气压对车体进行挤压（受力平衡）

外界的大气压力会对车身产生指向轨道的作用力，使整个车辆紧紧地贴在轨道之上。

实际测试的最大压力可以达到两倍于车辆自重（即 2G），约为 40000 牛顿，远远大于车辆自身的重量。

倒挂状态下所有的受力都处于平衡状态

C 形轨道是弯的，车在不同位置，轨道面相对车身的方位也不同，受力情况要分两段看。

在轨道顶部的倒挂段（轨道面在车的上方）：

• 竖直向下：汽车重力 G = mg

• 竖直向上：大气压差产生的压力 F（方向指向轨道面，把车往上压）

• 竖直向下：轨道对车的支持力 N（方向背离轨道面，被压得越紧它越大）

平衡关系是 F = G + N。大气压力最大可达 2 倍车重，只要它不小于重力，车就不会掉下来；多出来的那部分全部转化为轨道对车的支持力，也就是把车牢牢压紧在轨道上。

在轨道的竖直侧壁段（轨道面在车的侧面）：

• 水平指向轨道面：大气压差产生的压力，它就是正压力 F_N

• 竖直向下：汽车重力

• 竖直向上：轮胎与轨道之间的静摩擦力

这一段大气压力是水平的，顶不住重力，重力全靠静摩擦力来平衡——这正是下面那道计算题要处理的情形。

一句话来概括就是：

并不是因为车子把地面吸住了，而是由于大气压力的作用使车子紧紧地贴在轨道上。

扩展物理计算题：轨道轮胎的摩擦系数应该达到多少才能保证安全呢？

我们建立一个简化的模型：汽车静止地停在 C 形轨道的竖直侧壁段，轨道面在车的侧面。负压产生的压力水平指向轨道面，这就是正压力 FN；重力竖直向下，靠轮胎与轨道之间的静摩擦力来平衡。

已知车辆的质量为 m = 2000 kg，负压系统最大可以产生两倍于车辆重量的压力，即轨道所受的正压力 FN = 2mg。

垂直方向上受力平衡，静摩擦力和重力大小相等：f = mg。

静摩擦力为 f ≤ μF_N，在刚好不滑落的时候取等号mg = μFN。

代入 FN = 2mg，即 mg = μ·2mg，两边同时除以 mg 得：

μ = 0.5

结论就是：轮胎和轨道之间的静摩擦系数要大于等于 0.5，车辆才能够在 2G 的吸附力作用下保持静止状态而不发生滑动。

在工程方面留有安全余量，轨道和轮胎的实际摩擦系数大于 0.5（0.6 到 0.8 之间），避免由于负压变化或者振动引起的打滑和坠落事故的发生。

思考题

当负压减小时，吸附力为 1 倍车重 FN = mg 时，要使汽车保持静止不动，则摩擦系数应该达到多少呢？

答案是 μ = 1，对于摩擦条件的要求非常高。

物理要点：这里的正压力并不是汽车自身的重量，而是由于大气压强差异所产生出来的压力；吸附压力越大，对于摩擦因数的要求就越小。

03 脱离轨道之后：倒扣车体怎样在空中翻转呢？

给人印象最深的一幕是：

车子从最高处倒扣出去，没有任何支持的情况下可以自动翻转，调整方向着陆。

核心就是 SpaceX 与 A71 冷气推进系统的合作，以及火箭的姿态控制系统是一样的。

1. 硬件布置

车身四周、车头、车尾以及底部共有十个高精度冷气喷嘴，并且配有六百升的碳纤维高压氮气储气罐。

全程不燃烧，不爆炸，只用高压氮气喷出气体来产生反作用力，非常安全可控。

2. 物理原理为力矩旋转

当车辆倒车的时候，车上的陀螺仪和惯性传感器会以每秒钟几百次的速度来监测车身的状态：

• 开启车身上方的一个喷嘴进行喷气，从而产生一个反向的作用力；

• 力没有通过重心就会产生转动的动力矩；

• 力矩使车身准确地翻转过来，并且可以做到 360 度旋转调整角度。

全程并不是依靠重力来滚动，而是由人工控制的力量矩进行旋转，并且精度可以达到毫秒级别。

04 分段分析下落过程中的加速度变化情况，分为两个部分

整车 21 米下落分成了两个部分：调姿段和减速软着陆段，它们遵循的是不同的物理规律：

第一部分：14.5 米姿态调整区域（0 到 1.9 秒）

喷口主要做翻身调姿的动作，向上的推力很小。

竖直方向上的加速度大约为 8 m/s²，比重力加速度 g 稍小一些。

主要的工作就是把车体翻过来放好，并且不要求减速。

第二部分：6.5 米强力减速区（1.9 到 2.6 秒）

接近地面时，底部喷口全部打开，并且向上喷射气体。

取竖直向上为正，竖直方向上的加速度约为 16.9 m/s²（方向向上，与下落速度方向相反，起减速作用）。

此时推力很大，喷气产生的总过载约为 2.7g（约 26.5 m/s²）；其中一部分用来抵消重力 g，剩下的才是净减速加速度，约 1.7g（16.9 m/s²），可以大大降低下落速度，最后实现轻柔无伤着陆。

落地速度可以算出来：车脱离轨道时竖直方向初速度为零（水平初速度不参与竖直方向的计算），第一段结束时的竖直速度约 8 × 1.9 = 15.2 m/s；再经 0.7 秒减速，

v = 15.2 − 16.9 × 0.7 ≈ 3.4 m/s，约合 12 km/h，只相当于慢跑的速度。

这就是为什么它比自由下落要慢一些，着地也更加平稳的原因。

05 全程有两套系统在运作，分工非常明确

人们常常把这两套系统搞混了，要记得的是：各司其职，不能混用。

• 底盘负压抽气系统：只有在贴壁行驶的时候才会起作用，它的功能是制造出压力差来抵消重力，并且可以实现倒挂行驶；腾空之后密封失效就马上停止了。

• SpaceX 冷气推进系统：只在空中下落的时候起作用，功能是产生力矩翻身，向上推力减速，保持降落姿态。

06 最硬核总结：所有的考点都包含在内

这次刷屏全网的科技秀其实就是一道高中物理综合大题：

没有反重力，也没有科幻加成。

所有的惊天动地之后都有一条坚实的物理定律在支撑着它。

科技并不是凭空产生奇迹，

把书本上的公式、原理变成可以看得到的震撼。

💡 物理题：

当车辆密封裙边出现裂纹的时候会有什么样的后果呢？是什么原因造成的呢？欢迎大家在评论区留言发表自己的看法。