这个问题看起来很容易回答,甚至会有些“无聊”,就像很多人经常调侃的一个问题:水滴从高空落下会不会砸死人?
但实际上这个问题一点也不简单,当你深入分析这张纸的下落过程时,就会发现真的有些复杂,涉及到很多物理学知识。
一张纸,这里暂且以A4纸来举例。我们身边随便就能找到一张A4纸,工作时我们也会不小心把一张A4纸落在地上,当然我们都知道A4纸会轻飘飘地落在地上,几乎不会有任何声音,当然最后也会完好无损。
当然我们也都知道,即便你在1000米的高空扔下一张A4纸,最终A4纸仍旧会轻飘飘地落在地面上,纸张本身也几乎不会有任何变化,没有任何破损。
那是因为空气阻力的作用,纸张下落的速度是很慢的。而且如果当时的风很大,A4纸需要花费很长时间才能落下。
以上都是我们的日常生活经验告诉我们的,但是我们的生活经验都是局限在地球这个狭小的空间内,往往带有很大的局限性。
就比如说,日常生活经验告诉我们,一张A4纸最终一定会完好无损地落到地面上。不过,这种生活经验一旦来到太空就不适用了,因为太空没有大气,意味着几乎没有任何摩擦力,一张纸与一个铅球下落的速度是一样的。
关于这一点早就在月球上实验过了,登陆月球的宇航员,让一根羽毛与一把锤子同时下落,结果羽毛和锤子同时落到月球地面。
而太空中的环境与月球表面环境几乎没有任何区别,都没有大气,没有摩擦力。
不过这里有一个问题,距离地球多远的太空才算是真正的太空呢?换句话说,地球大气层的边缘在哪里呢?
我们都知道,地球表面裹着一层厚厚的大气层,距离地球越近,大气层也稠密,越往外大气层越稀疏。
科学研究发现,在距离地球表面100千米的高空,大气层密度仅为表面大气密度的220万分之一,这里的大气如此稀薄,因此我们通常把100千米的高度定义为地球大气层与太空的分界线,也就是所谓的“卡门线”。
不过这里需要强调一点,卡门线并不像它的名字那样,它并不是一条线,而是一个相对平滑过渡的区域。在90千米到110千米的高空,空气密度的变化其实是很小的。人类发射的所有卫星几乎都在卡门线以上飞行。而卡门线也是一个国家领空最上方的边界。
自由落体,有一个重要的提前就是真空环境,没有或者说几乎没有任何摩擦力。卡门线附近虽然仍旧有极其少量的大气分子,但对物体下落过程的阻力作用很轻微,这里我们就忽略不计。
而空间站的高度会更高,通常都在距离地面400千米附近,这里的空气更稀薄,我们就假设在空间站上扔下一张A4纸,这张纸受到的空气摩擦力忽略不计,做自由落体运动。
那么,这张纸刚被扔下时,由于惯性作用,会与空间站保持一致,以每小时27600千米的速度绕地球飞行,每个月只会向下坠落大约2千米,很难落回地面。
实际上这张纸就等同于“太空垃圾”,人类在近地轨道发射的各种飞行器,最终都会成为太空垃圾,杂乱无章地绕地球飞行。
不过,总体来讲,A4纸还是会缓慢地向地面坠落,而且下落的速度越来越快。当接近卡门线时,下落速度会达到每秒2千米左右。
而由于卡门线是一个相当平滑的过渡带,虽然有空气阻力,但是很小,而且空气阻力也是一点点增加的,这意味着A4纸会一点点减速,并不会因为摩擦迅速升温,当然也不会烧毁。
在距离地面80千米进入黑障区之前,A4纸的速度会下降到每秒300米左右,但这张纸仍旧不会被烧毁。
那么,按照这个趋势,A4纸最终能落到地面上吗?
很抱歉,并不能落到地面。
纸,是由非常薄的植物纤维组成的,燃点相当低,在大约130-180度时就可以燃烧。在天空中即使没有任何摩擦力,太阳的强烈辐射热也可以让纸的温度达到120度。在这个温度的基础上,再加上A4纸与空气摩擦产生的热能,很容易就达到130度的燃点。
而物体的燃烧需要有三个条件,分别是可燃物,温度达到燃点,还有助燃物,也就是氧化剂。
刚才讲了,纸是可燃烧,而且是易燃物,温度也很容易达到燃点,但纸并不是燃烧,因为卡门线附近的空气密度很低,氧气的含量就更低了。没有氧气,A4纸当然不会燃烧了。
而如果温度足够高,但没有氧气,那么纸纤维中的有机物会发生分解干馏,说白了就是碳化现象,纸会变成焦黄色,而且会变脆,这时候主要遇到较强的气流,很脆的纸就会破裂成碎片飘落下来。
看到了吧,一张小小的A4纸从太空落下,原来还会经过这么复杂的过程。虽然以上只是理论分析,但实际上从太空飘落的纸,大概率也会跟理论上分析的差不多。
当然,最终的答案或许不是最重要的,重要的是我们从中能了解一些太空天文学知识,还有动力学知识。
这里再强调一下,纸张与很多其他物体并不同,因为纸张的质量很小,受力面积很大,因此更容易受大气阻力的影响,而其他物体受大气阻力的影响就会小很多。
还有,大气层边缘的空气密度并不是突然增加的,而是一点点增加的,所以A4纸在进入浓密的大气层前,并不会突然减速,只会一点点减速,最终也不会被烧毁。
最终的结局就是A4纸受到太阳强烈辐射的赵申,温度升高,加上摩擦力本身产生的热,会把A4纸烤焦变脆,最终落到地面的是焦黄的小碎片。
这就是这张A4纸的最终命运,与我们的日常生活经验有很大不同,但也恰恰表明了地面环境与太空环境的巨大差异!
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