假設(shè)我們從空間站（約 400 公里高度）釋放一張紙，它的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就與空間站同步。
空間站以約 27600 公里 / 小時(shí)的速度繞地球飛行，這意味著紙張一開始也會(huì)具有這樣的高速。在這樣的速度下，紙張并不會(huì)立即朝著地球下落，而是會(huì)在軌道上運(yùn)行。
由于軌道上仍然存在極其稀薄的大氣，這些大氣會(huì)對(duì)紙張產(chǎn)生微弱的阻力，隨著時(shí)間的推移，紙張的軌道會(huì)逐漸衰減。這是一個(gè)極為緩慢的過程，大約需要數(shù)月時(shí)間，紙張才會(huì)因?yàn)檐壍浪p而進(jìn)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(jù)萬有引力定律，物體的加速度會(huì)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。
當(dāng)紙張從太空向地球下落時(shí)，在剛開始的階段，加速度相對(duì)較小，但隨著接近地球，加速度逐漸增大。在進(jìn)入大氣層時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，其速度可達(dá) 2 公里 / 秒左右。如此高的速度，會(huì)使紙張?jiān)谶M(jìn)入大氣層后與空氣發(fā)生劇烈的摩擦。
當(dāng)紙張進(jìn)入大氣層后，它就如同進(jìn)入了一個(gè)充滿阻力的世界。
在這個(gè)過程中，紙張的速度逐漸降低。這是因?yàn)榭諝庾枇εc紙張的運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙了它的下落。根據(jù)牛頓第二定律，物體所受合力等于質(zhì)量與加速度的乘積，此時(shí)空氣阻力成為了改變紙張運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素。
隨著速度的降低，紙張的動(dòng)能不斷減少。根據(jù)能量守恒定律，能量不會(huì)憑空消失，而是發(fā)生了轉(zhuǎn)化。在這里，紙張的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)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(jī)物。
在正常情況下，紙張的燃點(diǎn)大約在 130 - 180℃。而在墜落過程中，紙張表面的溫度很容易就會(huì)達(dá)到甚至超過這個(gè)范圍。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，所以紙張并不會(huì)像在地球表面有充足氧氣時(shí)那樣發(fā)生燃燒現(xiàn)象。
然而，高溫依然會(huì)對(duì)紙張產(chǎn)生顯著的影響。
在缺乏氧氣的情況下，紙張會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)。熱解是指有機(jī)物在高溫下分解的過程，對(duì)于紙張來說，纖維素會(huì)在熱解過程中分解為碳和揮發(fā)性氣體。隨著熱解的進(jìn)行，紙張逐漸碳化，原本白色的紙張會(huì)變成焦黑色，并且質(zhì)地也變得非常脆，輕輕一碰就可能破碎。
例如，我們?cè)谌粘Ｉ钪杏没馃垙垥r(shí)，如果控制好氧氣的供應(yīng)，也會(huì)看到紙張先碳化變黑，然后才燃燒起來，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(dāng)紙張下降到 80 - 100 公里的高度時(shí)，這里的空氣密度相較于高層大氣有了明顯的增加。
空氣密度的增加使得空氣對(duì)紙張的阻力進(jìn)一步增大，紙張的速度也隨之迅速降低，一般會(huì)減速至 300 米 / 秒以下。此時(shí)，經(jīng)過熱解反應(yīng)后已經(jīng)碳化變脆的紙張結(jié)構(gòu)，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(guī)則的流動(dòng)現(xiàn)象，它會(huì)使紙張受到各個(gè)方向的力的作用。在這些力的反復(fù)拉扯下，紙張開始碎裂。由于紙張本身已經(jīng)非常脆弱，所以它會(huì)碎裂成毫米級(jí)的小碎片。
這些小碎片在繼續(xù)下落的過程中，受到空氣阻力和重力的共同作用。當(dāng)空氣阻力與重力達(dá)到平衡時(shí)，它們就會(huì)以一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速度下落，這個(gè)速度被稱為終端速度。
經(jīng)過研究和計(jì)算，這些毫米級(jí)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(fēng)的吹拂下，緩緩飄落，速度相對(duì)較慢。所以，從太空扔下的紙張，最終是以毫米級(jí)碎片的形式，像落葉一樣飄落到地面。
紙張的材質(zhì)和形狀在其從太空墜落的過程中起著至關(guān)重要的作用。
普通的 A4 紙，通常重量約為 4 克，其表面積相對(duì)較大，質(zhì)量卻很輕。這種特性使得它在進(jìn)入大氣層時(shí)，受到的氣動(dòng)阻力顯著高于那些質(zhì)量較大、表面積較小的物體，比如隕石。氣動(dòng)阻力的增大，會(huì)進(jìn)一步加劇紙張與空氣的摩擦，使其更容易在高溫下發(fā)生熱解和碎裂。
為了探究紙張?jiān)谔窄h(huán)境下的性能，日本曾在 2008 年進(jìn)行了一項(xiàng)紙飛機(jī)實(shí)驗(yàn)。研究人員選用了一種耐高溫的玻璃纖維紙來制作紙飛機(jī)。
在地面的風(fēng)洞測試中，這種紙飛機(jī)表現(xiàn)出了良好的耐高溫性能，能夠承受約 200℃的高溫。然而，當(dāng)將其置于實(shí)際的太空環(huán)境中時(shí)，情況卻變得復(fù)雜起來。
由于太空環(huán)境的極端性和不可控性，紙飛機(jī)在進(jìn)入大氣層后，追蹤變得極為困難，最終未能成功回收。這一實(shí)驗(yàn)表明，即使是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的紙張，在太空環(huán)境下的墜落過程也充滿了不確定性，實(shí)際情況遠(yuǎn)比理論分析要復(fù)雜得多 。
總結(jié)
從太空扔下一張紙，它并不會(huì)完好無損地飄落到地面。
在整個(gè)墜落過程中，紙張先后經(jīng)歷了自由加速、熱解碳化、氣動(dòng)碎裂三個(gè)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(jìn)入大氣層后，因與空氣劇烈摩擦，紙張表面溫度急劇升高，發(fā)生熱解碳化，由白色的紙張變?yōu)榻购谏奶蓟垙?；隨著高度降低，空氣密度增大，在氣動(dòng)作用下，碳化后的紙張發(fā)生碎裂，最終以毫米級(jí)的焦黑碎片形式飄落到地面。
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