科学汇 | 为啥火箭末级残骸进入大气层会被销毁,火『huo』箭升(sheng)空通过大气层时却不会

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钱江晚报·小时新闻记者 陈素萍

长征5B火箭发射天和号焦点舱

2021年4月29日,我国用长征5B运载火箭乐成发射了天宫空间站天和号的焦点舱。长征5B腾飞以后170秒,四个助推器就烧完了,并以较低的速率脱离火箭而掉入太平洋。而芯级火箭可以保持燃烧400多秒,继续辅助火箭加速,直到把焦点舱送进靠近400公里高的轨道。

此次发射火箭的结构图(左),发射控制大厅现场(右)

和低空掉落的助推器纷歧样,芯级火箭和焦点舱在高空星散时已拥有很高的速率,使其可以在大气层外绕地球好几天才在宇宙灰尘微弱的阻力下减速而重新被地球吸入大气层。

发射时助推器的星散,星散后的助推器自己并没有燃烧

非营利组织“Virtual Telescope”的天文学家马西8日在意大利拍到第一张长征火箭残骸逐步进入大气层的照片。可以看到残骸在发光燃烧。

中国载人航天工程办公室5月9日发作声明,经监测剖析,5月9日10时24分,长征五号B火箭末级残骸已再入大气层,绝大部门器件在再入大气层历程中烧蚀销毁。这里的末级残骸主要就是燃料耗尽的芯级火箭。

据俄罗斯塔斯社5月10日报道,9日长征五号火箭残骸已经进入大气层并坠毁到马尔代夫群岛周围,火箭在坠毁历程中大部门被销毁,只有很少一部门落入大海中,并没有造成任何的职员伤亡或者损失。

长征5B残骸的最终坠落点

末级残骸为什么进入大气层后会燃烧?能生热的摩擦力,给我们生涯又带来了哪些便利或穷苦?本期科学汇,我们约请到浙江工业大学理学院物理系副主任、吕斌博士,来为同砚们答疑解惑。

末级残骸进入大气层后 为什么会燃烧?

穿过大气层的物体会高温燃烧,是由两个因素引起的:空气被物体高速袭击而压缩导致升温;物体和空气的摩擦升温。

前者的物理机制是当运动物体的速率跨越音速后,空气就会来不及避开高速运动的物体使得空气对运动物体的压力陡增,形成音障。这种压力反过来压缩空气,被压缩的空气而升温。压缩气体升温的原理类似用打气筒打气,历程中你去摸一下气筒就会发现很热。

后者的物理机制是今天文章的主角:摩擦生热。

音障

摩擦

残骸入大气层后,都要和地球上空哪些层面举行摩擦?

地球外面的大气层漫衍

这次的火箭残骸从400km高空,经由几天的绕地航行,下降到200km以下,进入空气密度较大中央层、平流层和对流层,摩擦主要发生在这几层。

镁燃烧

以碳纤维为基体的烧蚀质料的显微照

为啥这样的摩擦还会引起残骸燃烧?能够让物体燃烧的温度称为燃点,差其余物体的燃点是纷歧样的。当物体被加热到达燃点时就可以和氧气发生化学反映从而燃烧。中学先生应该都给同砚们展示过镁在氧气中的燃烧,镁的燃点是500多度。火箭外面的烧蚀质料主要以碳纤维为主。和钻木取火一样,当摩擦发生的热量不能实时散走,物体的温度就会升高直到燃点最终和大气中的氧气发生燃烧。

那为什么火箭升空的时刻没有发生燃烧呢?这是由于火箭升空时受到的摩擦力远小于残骸落地时受到的摩擦力。

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火箭升空

逃生舱返回地面

一样平常来讲,空气的摩擦力和物体速率以及空气密度成正比。

火箭升空时,从地表经由空气密度最大的对流层,但此时运动速率是对照小的,到空气密度小的暖层时反倒运动速率最大。

相反,残骸回来时,在暖层速率较小(这里是相对而言,速率实在也并不小,约为7.68km/s,同砚们可以使用万有引力和向心力公式盘算一下),由于一直被地球引力加速,落到高度越低、空气密度越大的地方速率越快(同砚们可以使用匀加速直线运动大致算一下,落地速率约为8.2km/s)。

以是,着落的摩擦力远大于升空时的摩擦力。

摩擦力给我们带来了 哪些便利或穷苦?

摩擦力看不到摸不着,到底有多厉害?我们先来做个科学小实验“筷子提米”:将筷子插入一个装满大米的瓶子中,将米粒用力压实,握住筷子顶端往上提,整瓶大米也被提起来了。这是由于筷子与米之间以及米与米之间的摩擦力很大造成的。

再举个例子,人走路是行使鞋与地面之间的摩擦力。平时走路,若是鞋子和地面没有摩擦力,我们将寸步难行。可见,一样平常生涯中,摩擦力对人类很主要。

一样平常,摩擦力分为滑动摩擦、静摩擦和转动摩擦。

滑动摩擦相关的,中国有燧人取火的传说。火使人类随时都可以吃到熟食,削减疾病,促进大脑的发育和体制的进化。火还给人类带来了温暖,从而扩大了人类的流动局限。而燧人取火的方式就是钻木取火。他们通过钻木使木头之间的滑动摩擦生热来到达燃点,从而让木头燃烧获取火种。

静摩擦更常见。走路时鞋子和地面的摩擦,拧瓶盖时手和瓶盖侧面的摩擦,传送带将物体转移时物体和带子之间的摩擦。伶俐的同砚会发现,静摩擦就是两相对静止物体之间的摩擦。而走路打滑时,就酿成了滑动摩擦。

最后讲讲转动摩擦,本质是静摩擦。转动摩擦的存在使得圆形的物体可以在地面上转动起来。由于转动摩擦远小于滑动摩擦,以是转动搬运远比拖着搬运省力。

固然,除了便利,摩擦力也会带来一些穷苦。好比能量的消耗。高铁在运动的时刻,会受到很大的空气摩擦力,这使得列车不得不使用大量的驱动力来匹敌这个阻力从而保持列车的车速,就导致分外的能量消耗。

兴趣小组

摩擦力的隐秘

知道了摩擦力的差异分类,摩擦力的巨细和偏向,又和什么有关呢?

以静摩擦力举个例子,人往右走就需要往左蹬脚,以是鞋子和地面的接触点处,鞋子的运动趋势是往左,以是鞋子受到了往右的静摩擦力。这里敲黑板,划个重点:摩擦力偏向的判断必须仔细考察接触点处两物体的相对运动趋势,岂论什么类型的摩擦力,物体所受的摩擦力的偏向都和接触点处物体的运动偏向或者运动趋势偏向相反。

至于摩擦力的巨细,凭证实验履历,则和两物体接触面的摩擦系数成正比,也和两物体之间的压力成正比。同砚们想一想,当拧不开瓶盖时,你会怎么办?是不是会用更大的力压紧瓶盖边缘?这就是通过增大压力来增大摩擦力,从而拧开瓶盖。但若是手都疼了照样拧不开,咋办呢?一样平常用干抹布裹住瓶盖通过增大摩擦系数的方式拧开瓶盖。若是同砚们照样不行的话,那可以去找气力大的爸爸协助。

有同砚好奇发问:“真空环境下,有摩擦力吗?”宏观上,相互接触的两物体才有摩擦力,真空环境下物体没有和其他物质接触,以是没有摩擦力。

这次发射的长征5B的芯级火箭残骸之以是会最终回到地面,是由于400km高空仍然有少量的分子漫衍在轨道上,以是芯级火箭会在微弱的摩擦力下逐渐减速,当速率不能维持其在轨道上运动时,就会被地球的引力吸引进入大气层并坠落。

考考你

(1)下图这双静止在木板上的鞋子,受到是什么类型的摩擦力,其摩擦力的偏向朝那里?

(2)自行车是通事后轮驱动的,也就是说后轮是自动轮,前轮是被动轮。一位学生骑车去学校,下图所示自行车轮朝右顺时针转动,请判断后轮和前轮所受到的转动摩擦力偏向。

答:

(1)静摩擦力。鞋子有沿木板运动的趋势,以是摩擦力是沿木板朝右上。

(2)后轮是自动顺时针旋转,在地面的接触点是向后运动趋势,以是后轮受到的滚轮摩擦力是向前的。前轮是被动顺时针旋转,没有摩擦力的话,前轮在地面接触点的地方是倾向于向前滑动的,以是前轮受到的转动摩擦力是向后的。以是后轮的摩擦力是自行车前进的动力,前轮的摩擦力是前进的阻力。

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     发布于 2021-09-17 00:01:30  回复
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