假设我们从空间站(约 400 公里高度)释放一张纸,它的初始运动状态就与空间站同步。
空间站以约 27600 公里 / 小时的速度绕地球飞行,这意味着纸张一开始也会具有这样的高速。在这样的速度下,纸张并不会立即朝着地球下落,而是会在轨道上运行。
由于轨道上仍然存在极其稀薄的大气,这些大气会对纸张产生微弱的阻力,随着时间的推移,纸张的轨道会逐渐衰减。这是一个极为缓慢的过程,大约需要数月时间,纸张才会因为轨道衰减而进入大气层。
若不考虑其他因素,仅从自由落体的角度分析,根据万有引力定律,物体的加速度会随着与地球距离的增加而减小,其加速度与距离的平方成反比。
当纸张从太空向地球下落时,在刚开始的阶段,加速度相对较小,但随着接近地球,加速度逐渐增大。在进入大气层时,经过计算,其速度可达 2 公里 / 秒左右。如此高的速度,会使纸张在进入大气层后与空气发生剧烈的摩擦。
当纸张进入大气层后,它就如同进入了一个充满阻力的世界。
在这个过程中,纸张的速度逐渐降低。这是因为空气阻力与纸张的运动方向相反,阻碍了它的下落。根据牛顿第二定律,物体所受合力等于质量与加速度的乘积,此时空气阻力成为了改变纸张运动状态的主要因素。
随着速度的降低,纸张的动能不断减少。根据能量守恒定律,能量不会凭空消失,而是发生了转化。在这里,纸张的动能逐渐转化为热能,使得纸张表面的温度迅速升高。
纸张的主要成分是纤维素,这是一种有机物。
在正常情况下,纸张的燃点大约在 130 - 180℃。而在坠落过程中,纸张表面的温度很容易就会达到甚至超过这个范围。不过,高层大气中的氧气含量不足 0.1%,如此低的氧气浓度无法满足纸张燃烧所需要的氧化剂条件,所以纸张并不会像在地球表面有充足氧气时那样发生燃烧现象。
然而,高温依然会对纸张产生显著的影响。
在缺乏氧气的情况下,纸张会发生热解反应。热解是指有机物在高温下分解的过程,对于纸张来说,纤维素会在热解过程中分解为碳和挥发性气体。随着热解的进行,纸张逐渐碳化,原本白色的纸张会变成焦黑色,并且质地也变得非常脆,轻轻一碰就可能破碎。
例如,我们在日常生活中用火烧纸张时,如果控制好氧气的供应,也会看到纸张先碳化变黑,然后才燃烧起来,而在高空中的纸张坠落过程,就类似这种先碳化但不燃烧的情况 。
当纸张下降到 80 - 100 公里的高度时,这里的空气密度相较于高层大气有了明显的增加。
空气密度的增加使得空气对纸张的阻力进一步增大,纸张的速度也随之迅速降低,一般会减速至 300 米 / 秒以下。此时,经过热解反应后已经碳化变脆的纸张结构,在大气中的湍流作用下显得格外脆弱。
湍流是大气中一种不规则的流动现象,它会使纸张受到各个方向的力的作用。在这些力的反复拉扯下,纸张开始碎裂。由于纸张本身已经非常脆弱,所以它会碎裂成毫米级的小碎片。
这些小碎片在继续下落的过程中,受到空气阻力和重力的共同作用。当空气阻力与重力达到平衡时,它们就会以一个相对稳定的速度下落,这个速度被称为终端速度。
经过研究和计算,这些毫米级的纸张碎片的终端速度大约为 10 米 / 秒。这就好比地球上秋天的落叶,在微风的吹拂下,缓缓飘落,速度相对较慢。所以,从太空扔下的纸张,最终是以毫米级碎片的形式,像落叶一样飘落到地面。
纸张的材质和形状在其从太空坠落的过程中起着至关重要的作用。
普通的 A4 纸,通常重量约为 4 克,其表面积相对较大,质量却很轻。这种特性使得它在进入大气层时,受到的气动阻力显著高于那些质量较大、表面积较小的物体,比如陨石。气动阻力的增大,会进一步加剧纸张与空气的摩擦,使其更容易在高温下发生热解和碎裂。
为了探究纸张在太空环境下的性能,日本曾在 2008 年进行了一项纸飞机实验。研究人员选用了一种耐高温的玻璃纤维纸来制作纸飞机。
在地面的风洞测试中,这种纸飞机表现出了良好的耐高温性能,能够承受约 200℃的高温。然而,当将其置于实际的太空环境中时,情况却变得复杂起来。
由于太空环境的极端性和不可控性,纸飞机在进入大气层后,追踪变得极为困难,最终未能成功回收。这一实验表明,即使是经过特殊设计的纸张,在太空环境下的坠落过程也充满了不确定性,实际情况远比理论分析要复杂得多 。
总结
从太空扔下一张纸,它并不会完好无损地飘落到地面。
在整个坠落过程中,纸张先后经历了自由加速、热解碳化、气动碎裂三个阶段。先是在几乎没有空气阻力的太空中自由加速下落,速度不断增加;进入大气层后,因与空气剧烈摩擦,纸张表面温度急剧升高,发生热解碳化,由白色的纸张变为焦黑色的碳化纸张;随着高度降低,空气密度增大,在气动作用下,碳化后的纸张发生碎裂,最终以毫米级的焦黑碎片形式飘落到地面。