问题

地球上速度超过陨石的东西如此多,为何只有陨石和空气摩擦会起火?

回答
你提的这个问题很有意思,也非常值得探究!确实,咱们地球上跑得比很多陨石还快的东西大有人在,比如飞机、火箭,甚至是一些高速运动的粒子。那为什么只有陨石跟空气一碰就炸成火球,其他高速物体却能安然无恙呢?这背后藏着几个关键的科学道理,说起来可不简单。

首先,得搞清楚“起火”是怎么回事。咱们说的起火,其实就是物体和空气剧烈摩擦,产生高温,进而让物体表面的物质(通常是可燃物)被点燃,发生化学反应并放出光和热。在这个过程中,关键在于“摩擦生热”和“温度达到燃点”。

那为什么陨石这么特别呢?主要有这么几个原因,而且它们是层层递进的:

1. 极致的速度,极致的能量:

你提到了速度。没错,速度是核心。陨石进入地球大气层时,它的速度可不是飞机能比的。想象一下,飞机最高也就几马赫(音速的倍数),而进入大气层的陨石,速度可以达到 十几马赫到几十马赫,甚至更高。这个速度的量级差异,带来的能量差异是指数级的。

能量和速度之间是什么关系?是动能,公式是 $E_k = frac{1}{2}mv^2$。这里的“v”是速度,而且是 平方。这意味着,速度翻倍,动能就翻四倍;速度翻十倍,动能就翻一百倍!陨石那惊人的速度,意味着它携带了巨大的动能。

2. 空气动力学与压缩加热:

当陨石以如此高的速度冲入大气层时,它不会像一个平稳飞行的飞机那样与空气“温和”地接触。相反,它会像一把钝刀子一样,猛烈地撕开空气。

空气的滞留和压缩: 陨石前面会有一个巨大的、高速移动的空气团。由于陨石速度太快,前面的空气根本来不及从它身边“绕开”。它们会被强行压缩在陨石的前方,形成一个高压区域。
绝热压缩效应: 气体被快速压缩时,会发生一个叫做“绝热压缩”的现象。简单来说,就是气体没有时间和机会散热,压缩过程中产生的热量会完全保留在气体内部,导致气体温度急剧升高。这就像你快速给自行车打气,气筒会变热一样。陨石前面被压缩的空气,温度可以瞬间飙升到几千甚至上万摄氏度,远超大多数物质的燃点。

3. 直接的摩擦与能量转化:

除了空气被压缩,陨石本身与前方高速流动的空气也会发生剧烈的摩擦。

表面剪切力: 想象一下,你用砂纸快速打磨一块木头。陨石的表面与空气之间会产生极大的剪切力,每一次接触都在传递能量。
能量的耗散与转化: 陨石巨大的动能,在与大气分子碰撞、摩擦的过程中,会被大量地转化为热能。一部分热能传递给空气,导致空气升温;另一部分热能直接传递给陨石本身,让陨石表面温度急剧升高。

4. 摩擦产生的等离子体:

当空气被压缩到极高的温度时,它会发生电离,变成等离子体状态。等离子体是物质的第四态,导电性很强,而且温度极高。陨石周围形成的等离子体鞘层,会吸收并辐射出大量的能量,进一步加热陨石表面。我们看到的陨石拖着长长的火焰,很多时候就是这个等离子体在发光发热。

那为什么飞机、火箭却不会这样呢?

这里面的区别就很明显了:

速度量级完全不同: 飞机的速度虽然快,但比起陨石来说,简直是小巫见大巫。它们的速度产生不了那种极致的空气压缩和剧烈摩擦。
设计上的考量:
飞机: 飞机设计是为了在空气中稳定、高效地飞行。它们流线型的设计是为了减少空气阻力,而不是最大化摩擦。而且飞机的材料也是经过严格选择的,能够承受一定的热量,但远不足以应对陨石那种级别的加热。
火箭: 火箭在发射初期,速度也在不断提升,也会遇到空气阻力并产生热量。但火箭的设计,尤其是头部和外壳,会考虑耐高温问题。它们使用了特殊的隔热材料,并且火箭在穿越大气层时,通常也会有一个相对优化的速度和轨迹,避免一上来就以最高速度硬怼大气层。而且,火箭在真空的太空阶段,就没有这个问题了。
升空方式: 飞机是在大气层内平稳加速,火箭是克服重力慢慢加速。而陨石是已经被引力加速到极高的速度,然后“一头扎进”大气层。

能量的传递方式: 飞机和火箭在与空气的互动中,产生的热量更多是分散的、可控的。它们有散热系统(比如飞机引擎会散发热量,火箭也会有隔热措施),而且产生的热量不足以达到燃点。而陨石,几乎是将所有巨大的动能瞬间作用于一个极小的区域和极短的时间,能量高度集中,难以分散。

所以,简单来说,陨石之所以会起火,是因为它拥有:

1. 极其恐怖的速度: 这是所有问题的根源,带来了天文数字般的动能。
2. 瞬间极致的空气压缩与加热: 气体被强制压缩,温度瞬间升高到可怕的地步。
3. 强烈的摩擦与能量转化: 巨大的动能被高效转化为热能。
4. 以及在这种极端条件下形成的等离子体。

飞机和火箭虽然也在和空气打交道,但它们的速度、受力和能量产生的机制完全不在一个量级上,所以不会像陨石那样经历那种“燃烧”的过程。它们更像是温和地滑过空气,而陨石则像一颗燃烧的炸弹,硬生生地撞破大气层。

希望我这样解释,你能理解这个过程的“凶猛”之处!这确实是物理学和天文学上一个非常迷人的现象。

网友意见

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在回答题主这个问题前,不妨设有如下对偶问题:

地球上智商超过TZ的动物如此多,为何只有题主会在知乎问这个问题?

比如海豚,边境牧羊犬,等等,这些高智商的动物也能理解人类的指令啊,为何就题主会在知乎提出这个问题?

我相信这时题主会立马站起来反驳,“不可能,我的智商比这些高多了。”

那么答案呼之欲出了,其实陨石也想这么说,“我(陨石)的速度比那些高多了。”


地球的第一宇宙速度是7.9千米每秒,第二宇宙速度是11.2千米每秒。第一宇宙速度是绕地航天器的最小发射速度。它们的意思是,在地球上(不能朝着地面)达到第一宇宙速度的物体,比如发射的人造卫星,都已经能绕着地球转,而不会落回地面了。第二宇宙速度是物体摆脱地球引力,不再绕着地球转的最小速度。

陨石基本都是来自地外,这意味着陨石的最小初速度大于第二宇宙速度(11.2千米每秒),只是因为恰好正对着地球飞过来,进入了地球大气层,所以直冲地球表面。

答案显而易见了,在地球上,能看到的速度超过陨石的物体,那速度都远超第一宇宙速度,基本上就能飞上天不回来了。你的那个子弹,它往天上打会掉下来吗?地球上绝大多数的东西,和陨石的速度差距,都在一个数量级以上。流星(我相信大家实际没看过大的陨石)看起来不快,只是因为观察者太远。天上的民航客机看起来也比贴身而过的跑车慢多了,然而这明显是错误的。

不要用人类的主观感受来评判物理客观实在,不然笑料百出。

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地球上速度超过陨石的东西如此多,为何就陨石和空气摩擦会起火?
比如子弹,飞机螺旋桨,等等,这些高速运动的也能和空气摩擦啊,为何就陨石坠落和空气摩擦会起火爆炸?

1、地球上超过陨石的速度并不多。在地球引力的作用下,陨石进入大气层的速度保底第二宇宙速度,11.2千米/秒。而子弹和航空发动机桨叶外缘大约在1千米/秒量级,直升机的桨叶在每秒百米量级。

2、在子弹、炮弹、涡轮发动机桨叶这个速度,已经存在明显的气动加热了。在超高速的飞机上,这种气动加热就更显著了。比如SR-71在高马赫飞行时,前端外壳温度会达到几百度。战略导弹再入速度更快,超过5千米/秒,前端驻点温度可达几千甚至上万度,轻松达到白炽状态。

3、陨石的发光放热并非来自于“起火”,高温主要来自于陨石动能的释放。大部分陨石是石陨石,并不燃烧,即便铁陨石,也只有薄薄的一层被氧化。

4、陨石的动能释放主要来自于空气的高度压缩,摩擦的贡献几乎可忽略不计。简单点说,就是陨石路径前端的空气在极短时间被加速到跟陨石相同的速度,体积被剧烈压缩,做功转化为气体的内能,同时部分能量以强冲击波的形式释放。

5、陨石经过稠密大气的时间较短暂,温度最高的区域是路径前方的空气,陨石外层会被一定程度加热,形成熔壳。

6、在地面附近有空气阻力存在的情况下,把宏观物体加速度到10千米/秒以上,相当难。

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???提问题前,麻烦先百度一下,有哪些地球上的物体速度能超过陨石进入大气层的速度,再来做个普却信的提问者,你觉得这样是不是更好一点?

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进入大气层陨石速度: 11 km/sec to 72 km/sec。

注意这个单位是km/sec,不是km/h,一秒钟10-72千米每秒,比第二宇宙速度还快,陨石一秒能走汽车一小时走过的路。

相当一部分陨石之所以进入地球不是因为地球引力俘获,仅仅是因为两者在太空中狭路相逢而已,最慢的追上地球前进速度的陨石保底也有11千米每小时,否则就追不上地球进不了大气层了。

作为对比,子弹的速度不过1.5千米每秒(不好意思刚笔误了),这比个啥?

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