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。
空間站以約 27600 公里 / 小時的速度繞地球飛行,這意味着紙張一開始也會具有這樣的高速。在這樣的速度下,紙張並不會立即朝着地球下落,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,隨着時間的推移,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,物體的加速度會隨着與地球距離的增加而減小,其加速度與距離的平方成反比。
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,但隨着接近地球,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。
隨着速度的降低,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。
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。隨着熱解的進行,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。
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。
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着至關重要的作用。
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。
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;隨着高度降低,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。