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球表面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。于是关于“从太空中扔下一张A4张,它能平安落到地球表面吗?”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,它能够平安地落到地球表面吗?
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上,但事实却并不是这样的。
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=(mxv^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。
虽然这些因素会影响到整个计算的精确度,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!