從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎?

2025年04月06日19:42:09 科學 1486

假設我們從空間站(約 400 公里高度)釋放一張紙,它的初始運動狀態就與空間站同步。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

空間站以約 27600 公里 / 小時的速度繞地球飛行,這意味著紙張一開始也會具有這樣的高速。在這樣的速度下,紙張並不會立即朝著地球下落,而是會在軌道上運行。

由於軌道上仍然存在極其稀薄的大氣,這些大氣會對紙張產生微弱的阻力,隨著時間的推移,紙張的軌道會逐漸衰減。這是一個極為緩慢的過程,大約需要數月時間,紙張才會因為軌道衰減而進入大氣層。

若不考慮其他因素,僅從自由落體的角度分析,根據萬有引力定律,物體的加速度會隨著與地球距離的增加而減小,其加速度與距離的平方成反比。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

當紙張從太空向地球下落時,在剛開始的階段,加速度相對較小,但隨著接近地球,加速度逐漸增大。在進入大氣層時,經過計算,其速度可達 2 公里 / 秒左右。如此高的速度,會使紙張在進入大氣層後與空氣發生劇烈的摩擦。

當紙張進入大氣層後,它就如同進入了一個充滿阻力的世界。

在這個過程中,紙張的速度逐漸降低。這是因為空氣阻力與紙張的運動方向相反,阻礙了它的下落。根據牛頓第二定律,物體所受合力等於質量與加速度的乘積,此時空氣阻力成為了改變紙張運動狀態的主要因素。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

隨著速度的降低,紙張的動能不斷減少。根據能量守恆定律,能量不會憑空消失,而是發生了轉化。在這裡,紙張的動能逐漸轉化為熱能,使得紙張表面的溫度迅速升高。

紙張的主要成分是纖維素,這是一種有機物

在正常情況下,紙張的燃點大約在 130 - 180℃。而在墜落過程中,紙張表面的溫度很容易就會達到甚至超過這個範圍。不過,高層大氣中的氧氣含量不足 0.1%,如此低的氧氣濃度無法滿足紙張燃燒所需要的氧化劑條件,所以紙張並不會像在地球表面有充足氧氣時那樣發生燃燒現象。

然而,高溫依然會對紙張產生顯著的影響。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

在缺乏氧氣的情況下,紙張會發生熱解反應。熱解是指有機物在高溫下分解的過程,對於紙張來說,纖維素會在熱解過程中分解為碳和揮發性氣體。隨著熱解的進行,紙張逐漸碳化,原本白色的紙張會變成焦黑色,並且質地也變得非常脆,輕輕一碰就可能破碎。

例如,我們在日常生活中用火燒紙張時,如果控制好氧氣的供應,也會看到紙張先碳化變黑,然後才燃燒起來,而在高空中的紙張墜落過程,就類似這種先碳化但不燃燒的情況 。

當紙張下降到 80 - 100 公里的高度時,這裡的空氣密度相較於高層大氣有了明顯的增加。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

空氣密度的增加使得空氣對紙張的阻力進一步增大,紙張的速度也隨之迅速降低,一般會減速至 300 米 / 秒以下。此時,經過熱解反應後已經碳化變脆的紙張結構,在大氣中的湍流作用下顯得格外脆弱。

湍流是大氣中一種不規則的流動現象,它會使紙張受到各個方向的力的作用。在這些力的反覆拉扯下,紙張開始碎裂。由於紙張本身已經非常脆弱,所以它會碎裂成毫米級的小碎片。

這些小碎片在繼續下落的過程中,受到空氣阻力和重力的共同作用。當空氣阻力與重力達到平衡時,它們就會以一個相對穩定的速度下落,這個速度被稱為終端速度。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

經過研究和計算,這些毫米級的紙張碎片的終端速度大約為 10 米 / 秒。這就好比地球上秋天的落葉,在微風的吹拂下,緩緩飄落,速度相對較慢。所以,從太空扔下的紙張,最終是以毫米級碎片的形式,像落葉一樣飄落到地面。

紙張的材質和形狀在其從太空墜落的過程中起著至關重要的作用。

普通的 A4 紙,通常重量約為 4 克,其表面積相對較大,質量卻很輕。這種特性使得它在進入大氣層時,受到的氣動阻力顯著高於那些質量較大、表面積較小的物體,比如隕石。氣動阻力的增大,會進一步加劇紙張與空氣的摩擦,使其更容易在高溫下發生熱解和碎裂。

為了探究紙張在太空環境下的性能,日本曾在 2008 年進行了一項紙飛機實驗。研究人員選用了一種耐高溫的玻璃纖維紙來製作紙飛機。

從太空上扔下一張紙,會完好無損地飄落到地面嗎? - 天天要聞

在地面的風洞測試中,這種紙飛機表現出了良好的耐高溫性能,能夠承受約 200℃的高溫。然而,當將其置於實際的太空環境中時,情況卻變得複雜起來。

由於太空環境的極端性和不可控性,紙飛機在進入大氣層後,追蹤變得極為困難,最終未能成功回收。這一實驗表明,即使是經過特殊設計的紙張,在太空環境下的墜落過程也充滿了不確定性,實際情況遠比理論分析要複雜得多 。

總結

從太空扔下一張紙,它並不會完好無損地飄落到地面。

在整個墜落過程中,紙張先後經歷了自由加速、熱解碳化、氣動碎裂三個階段。先是在幾乎沒有空氣阻力的太空中自由加速下落,速度不斷增加;進入大氣層後,因與空氣劇烈摩擦,紙張表面溫度急劇升高,發生熱解碳化,由白色的紙張變為焦黑色的碳化紙張;隨著高度降低,空氣密度增大,在氣動作用下,碳化後的紙張發生碎裂,最終以毫米級的焦黑碎片形式飄落到地面。

科學分類資訊推薦

江西仙女湖蛇島有多可怕?科考隊不顧反對勘探,被眼前一幕震撼 - 天天要聞

江西仙女湖蛇島有多可怕?科考隊不顧反對勘探,被眼前一幕震撼

「你說蛇島?那地方不能去,真不能去。」王啟文這話一出口,會議室里的空氣就像頓了一下。坐在主位上的徐國超,五十齣頭,戴著一副老花鏡,原本正低頭翻著實驗報告,聽到「蛇島」兩個字,眉頭皺了一下,但眼神卻亮了。「哪兒?你再說一遍?」他抬起頭。「江西
太陽系邊緣驚現「流浪行星」,第九行星謎題添新證 - 天天要聞

太陽系邊緣驚現「流浪行星」,第九行星謎題添新證

普林斯頓大學的科學家團隊在太陽系邊緣發現了一個特殊天體,它奇特的運行軌跡可能為神秘的「第九行星」理論提供關鍵證據。這個編號2017OF201的天體位於柯伊伯帶外側,其巨大的體積和極端的軌道特徵在天文學界引起廣泛關注。程思浩、李佳軒與楊毅達(音譯)組成的普林斯頓研究小組,通過先進計算模型在浩渺星空中鎖定了這個...
牛津科學家預警,蛞蝓狀外星生命,可能來地球殖民掠奪 - 天天要聞

牛津科學家預警,蛞蝓狀外星生命,可能來地球殖民掠奪

牛津大學著名生物學家蒂姆·庫爾森教授發出警示:宇宙中可能存在形似《星球大戰》中赫特人賈巴、臃腫遲緩的蛞蝓狀外星生命,它們若造訪地球,極可能懷有殖民掠奪的惡意。這位為多國政府提供過外星生命諮詢的權威學者認為,人類必須嚴肅看待外星文明可能帶來的生存威脅。庫爾森教授在《歐洲雜誌》撰文指出,基於宇宙物質構成...
實現「可穿戴」監測腫瘤患者「心」問題,中山醫院牽頭又一人工智慧體落地轉化 - 天天要聞

實現「可穿戴」監測腫瘤患者「心」問題,中山醫院牽頭又一人工智慧體落地轉化

生了腫瘤死於心臟,這樣的臨床病例並不少見。近日,復旦大學附屬中山醫院、上海中醫藥大學附屬曙光醫院、復旦大學附屬腫瘤醫院聯合主辦的第四期「免疫檢查點抑製劑相關心血管不良反應臨床診療學習班」傳出消息:「腫瘤心臟病人工智慧聯合體」正式簽約轉化,未來將可實現可穿戴(如手環等),高危患者配戴後進行實時監測,第...
我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的「衰老密碼」 - 天天要聞

我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的「衰老密碼」

記者從南京航空航天大學了解到,該校郭萬林、趙曉明教授團隊近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機制,提出一套低成本延長電池壽命的解決方案,有望加快推動下一代光伏技術產業化。相關論文5月30日由國際主流學術期刊《科學》在線發表。
將消失76%!「拿什麼拯救你,我們的冰川」 - 天天要聞

將消失76%!「拿什麼拯救你,我們的冰川」

據法新社報道,根據一項國際最新研究,如果全球變暖持續不受控制,全球四分之三以上的冰川將消失,這將加劇全球海平面上升,並危及數十億人的水資源供應。△新加坡《聯合早報》報道:5月28日,阿爾卑斯山脈位於瑞士境內的伯奇冰川發生崩塌,數以噸計的岩石
山東多地夜空現不明飛行物,目擊者稱「大的後面跟著小的」 - 天天要聞

山東多地夜空現不明飛行物,目擊者稱「大的後面跟著小的」

5月30日晚,山東濰坊、日照等地的許多網友在社交媒體發布視頻,稱夜空中有不明飛行物飛過。此外,江蘇、安徽等地的網友也發表視頻稱,看到了夜空中的不明飛行物。相關視頻顯示,畫面中的不明飛行物伴隨著不均勻燃燒,有網友猜測這是火流星。▲不明飛行物划過夜空 圖據網友發布的視頻截圖5月31日早上,網友王女士告訴極目新...
關於太空的60個事實,你知道多少? - 天天要聞

關於太空的60個事實,你知道多少?

太空是一個巨大而神秘的空間,幾個世紀以來一直吸引著人類。從閃爍的星星到神秘的黑洞,有太多值得學習和驚嘆的東西。你知道嗎,太空是完全寂靜的,因為沒有大氣層來傳遞聲音。或者金星上的一天比金星上的一年還要長?這些令人興奮的事實只觸及了太空所能提供
王淦昌:我願以身許國 - 天天要聞

王淦昌:我願以身許國

四集紀錄片《王淦昌》聚焦王淦昌先生在人生不同階段的選擇和背後的精彩故事,完整呈現了王淦昌先生卓越的科學成就和科研生涯,以及他以身許國、無私奉獻、不懈追求真理的科學家精神,觀後感慨萬千,一股崇敬之心油然而生。「我願以身許國!」一句話,六個字,