关于问题从太空扔一张 A4 纸,能落到地面吗,落到地面是燃烧完了还是完好无损?一共有 2 位热心网友为你解答:
【1】、来自网友【时空通讯】的最佳回答:
这个问题虽然有点意思,但结果却会出乎很多人的预料。因为这张纸既不能平安的到达地面,也不太可能燃烧殆尽,而是以另外一种方式消失了。
要精确地回答这个问题,首先要给这张纸的高度设定一个值,也就是这个“太空”距离地表有多远。如果太远,如在数十万千米的地方,这张纸很可能就不会回到地球了,而是永远飘荡在太空,或者被距离更近的星球所捕获;如果这个太空是在国际空间站的高度,也就是距离地表约 400 千米的地方,这个返回过程就有些像回收载人飞船返回舱了。
我们先来了解一下载人飞船的回收
载人飞船返回舱的返回过程是,到达地球引力圈,刹车减速速被地球引力所捕获,返回舱与轨道舱、动力舱分离,以一定角度进入大气层,然后以自由落地方式下落,速度可达数千米每秒。
到达 80~100 千米高度时,地球大气开始变得浓密起来,飞船速度激波与浓密大气分子碰撞发生数千摄氏度高温,对飞船防热涂层进行烧蚀,随后在大气阻力下,飞船迅速减速,最终每秒 200 米的均速下落。
到达距地表约 10 千米高度时,返回舱的回收着陆系统自动启动开始工作,先后拉出引导伞、减速伞和主伞,经过约 30 秒钟,飞船先在减速伞作用下,下降速度从 200m/s 降到 80 米/s,再经主伞减速,飞船速度降到 8~10m/s。
当飞船降落到距离地面 1 米时,安装在舱底的 4 台反冲发动机会同时启动,对地面进行反冲,将下降速度减小到 1~2m/s,这时,里面的乘员就能安全平稳落地了。
这张纸会像飞船一样达到烧蚀高温吗?
从上面飞船降落过程可以看到,在 400 千米左右的太空,空气非常稀薄,飞船是在接近真空的状态下,以自由落体方式下坠。实验证明,在真空中自由落体速度,不管密度怎样,也就是不管是轻还是重,一根羽毛还是一个铁球,下落速度都是一样的。
自由落体运动末端速度计算公式为 v^2=2gh。这里的 v 表示末端速度,单位 m;g 为地球重力加速度,取近似值为 9.8m/s^2;h 为下降高度,我们假定这张纸在 400km 高度开始自由落体,下降到 80km 高度遇到空气阻力,这样自由落体下降了 320km。
我们根据公式可以计算出这张纸到达距离地表 80km 时,真空自由落体下降速度会达到 2504m/s。这张纸以这个速度冲进大气层,必然要烧毁得一点渣子都不剩。
但为啥不可能烧毁呢?这是因为大气层 100~400km 高空,虽然近似于真空,却并非完全真空,而是越接近地面,空气密度会渐渐加大,并不是到了 80 千米高空就突然浓密起来的。
这样这张纸的自由落体就与一个铁疙瘩似的飞船返回舱完全不一样了,而是随着空气密度的增加,速度渐渐变慢的,这张纸到达 80 千米高空时,就已经失去势能,速度并不快了。
因此,这张纸只会飘落到浓密的大气层上,缓缓下降。那么这张纸就会平安降落到地面吗?no,它还是会一点渣子都很难留下,这是因为:
这张纸一路掉落要经历冰与火的考验
首先,先要经历冷热电离考验
大气层从地表到高空分为对流层、平流层、中间层(电离层)、热层等不同层次,每一个层次都不是那么好过的。
这张纸在 400km 高空时,处于大气热层中间。热层是距地表 85km~800km 高空的大气层,这里空气稀薄,在 300km 处已经小于地表大气的千亿分之一。但这里吸收了来自太阳的几乎全部紫外辐射,让大气粒子温度上升到 1000~2000K。
由于这里大气极其稀薄,空气粒子的高温影响不了环境,环境温度还是在零下 100 多摄氏度。但这张纸在这个地方就不一样了,在阳光照射下,这张纸吸收了阳光紫外辐射,凭纸的密度足以达到数百摄氏度。但那里由于没有足够的氧气助燃,这张纸很难烧起来,因此很可能得以幸存。
随后,这张纸将飘落到中间层,这个层次是在距离地面约 50km~85km 之间,处于平流层之上。在这个层次以上的大气开始被电离,一直到热层,大气分子几乎都被电离,生命在这个区域如果没有保护会受到严重伤害,但这张纸应该无大碍,继续忽忽悠悠的往下飘。
接着就进入了平流层,距离地面一般在 10km 以上到 50km 之间。这个地方是个较为稳定的地方,空气没有对流,只有横向平行移动,飞机一般在这个区域底部飞行。这里几乎没有水汽,因此极少天气变化。
但由于夏冬季阳光最极地的照射不同,大气在两极地带会形成不同且变换的压差,由此形成季节性东西风向变化,有时候风速会达到 50m/s,这可是 17 级飓风的风速。这张纸会不会不幸遇到这种飓风被撕得粉碎呢?这就要看它的运气了。
然后,再遭受风霜雨雪的摧残
再往下就进入我们生活的世界了,这就是大气层的对流层。对流层在距地面 8~17km 之间,这是因为地球自转导致纬度不同地区的离心力不一样,越到极地离心力越小,对流层就相应薄一些,只有约 8km 厚度;而赤道地区离心力最大,对流层就达到了 17km 厚度。
这个区域是大气层最浓密的地方,占据了整个大气质量的 75%和水汽的 90%以上,人类感受到的所有天气变化都是在这个层次发生。对流层空气对流强烈,主要是冷暖空气上下对流翻滚,高空有各种云层,其中饱含着水滴和冰粒,在大气上下左右流动翻滚下风起云涌。
如果这张纸有幸来到了这里,除非遇到晴空万里,否则一定会被风霜雨雪撕扯浸泡击打得体无完肤,“骨灰”随风飘落不知所踪。
这张纸能够飘落到你的脚下概率有多大呢?就由各位自己去揣度了。本文只不过通过这张纸的飘落,科普一下大气层和自由落体常识罢了,欢迎讨论,感谢阅读。如喜欢别忘了关注和点赞,再次感谢。
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【2】、来自网友【魅力科学君】的最佳回答:
这确实是一个有意思的问题,我们先来定义一下这个问题中的“太空”,所谓的“太空”指的是地球大气层之外的宇宙空间。其实这个界限非常的模糊,但一般可以认为在距离地表 400 公里的外大气层,就可以称为“太空”了。
第二个问题:这张 A4 的纸是从什么地方扔下来的?也就是说,我们还要考虑这张 A4 纸的初速度。比如说如果我们是从绕地球运行的空间站把这张 A4 纸扔下来,那么这张 A4 纸就拥有和空间站一样的速度,大约为每秒 7.9 公里(第一宇宙速度)。
在这种情况下,我们扔纸的动作只是相当于给这张 A4 纸做了一个轻微的变轨,由于外层空间几乎没有阻力存在,所以这张 A4 纸会继续围绕着地球运行,我们也就不用指望它会掉下来了。
因此,我们应该把这张 A4 纸的初速度设为零。于是这个问题就变成了:在距离地表 400 公里的位置,扔下一张初速度为零的 A4 纸,它能够平安的落到地面吗?
很多人都会认为,这张 A4 纸会在空气阻力的作用下,飘飘荡荡地缓缓落下,然后平安的降落到地面,但实际上并不是这样。
需要指出的是,地球大气层的密度并不是随着高度逐渐减小的,大气层的空气约 97%都集中在平流层(距离地表约 9 到 45 公里)以下,其中约 75%又集中在对流层(距离地表约 0 到 18 公里)以下。
而从平流层再往上的话,空气的密度会随着高度的增长而指数级地下降。事实上,超过了 100 公里,空气的密度就会变得极为稀薄,因此,在距离地表 100 公里以上空气的阻力几乎可以忽略不计。
这也就意味着这张从距离地表 400 公里处掉下来的 A4 纸,会经过长达 300 公里的、几乎不受阻力的自由落体运动。关于这个推论,大家可以回忆一下我们中学时曾做过的实验,在真空管(其实不是绝对真空,还是有少量的空气)内,同样高度的铁球与羽毛,几乎是同时落地。
根据自由落体公式
v = 根号下(2gh)
(为了方便计算我们设 g = 10 米/平方秒),我们可以计算出,当这张 A4 纸抵达距离地表 100 公里处时,其速度大约为 2450 米/秒。
我们从能量的角度来看看这张 A4 纸会有什么遭遇,通常来讲一张 A4 纸的质量约为 4.3659 克,我们取其整数,即 0.004kg,将其代入动能公式,
Ek =( m x v^2)/2
(这里的 m 代表 A4 纸的质量),可以得到此时这张 A4 纸所携带的动能 Ek 约为 12000 焦耳。
12000 焦耳是什么概念?这里举个例子来比较一下, AK47 步枪大家知道吧,它的子弹出膛时携带的动能约为 1383 焦耳。
携带动能为 12000 焦耳的 A4 纸,一头扎进稠密的大气层,其自身携带的大部分动能会在短时间内释放出来,其后果就是,
这张 A4 纸瞬间解体,并在很高的温度下烧得渣都不剩
!
这里要说明一下,以上的描述都是理想化的,实际上在距离地表 100 到 400 公里的大气层中,还是存在着少量的空气,它们会制造一些阻力。而距离地表 100 公里的位置,大气也不是突然一下变得非常稠密,它有一个渐进的过程。
虽然这些因素都会影响整个计算的精确度,例如这张 A4 纸携带的动能要比理论值小一些,相应的释放能量的值也会减少,但总的来讲,这些影响是改变不了最终结果的,哪怕动能减少到只有我们计算出的三分之一,这张 A4 纸都是绝对到不了地面的!
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