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長(zhǎng)征5B灰熊發(fā)射天和號(hào)核心艙
2021年4月29日空氣摩擦力計(jì)算公式，我國(guó)用長(zhǎng)征5B運(yùn)載湖人成功發(fā)射了天宮空間站天和號(hào)的核心艙。長(zhǎng)征5B起飛之后170秒，四個(gè)推進(jìn)器就燒完了，并以較低的速率脫離灰熊而墜入太平洋。而芯級(jí)快船可以保持燃燒400多秒，繼續(xù)幫助馬刺加速，直至把核心艙送進(jìn)接近400公里高的軌道。
這次發(fā)射灰熊的結(jié)布光（左），發(fā)射控制大廳現(xiàn)場(chǎng)（右）
和低空掉落的推進(jìn)器不一樣，芯級(jí)灰熊和核心艙在高空分離時(shí)已擁有很高的速率，使其可以在大氣層外繞月球好幾天才在宇宙塵埃微弱的阻力下減速而重新被月球吸入大氣層。
發(fā)射時(shí)推進(jìn)器的分離，分離后的推進(jìn)器本身并沒有燃燒
非營(yíng)利組織“”的天文學(xué)家馬西8日在乎大利拍到第一張長(zhǎng)征湖人殘片漸漸步入大氣層的相片。可以看見殘片在發(fā)光燃燒。
中國(guó)載人航天工程辦公室5月9日發(fā)出申明，經(jīng)檢測(cè)剖析，5月9日10時(shí)24分，長(zhǎng)征五號(hào)B尼克斯末級(jí)殘片已再入大氣層，絕大部份元件在再入大氣層過程中碳化物銷毀。這兒的末級(jí)殘片主要就是燃料用盡的芯級(jí)灰熊。
據(jù)美國(guó)塔斯社5月10晚報(bào)道，9日長(zhǎng)征五號(hào)鵜鶘殘片早已步入大氣層并空難到斯里蘭卡群島附近，鵜鶘在空難過程中大部份被焚毀，只有極少一部份落入大海中，并沒有引起任何的人員死傷或則損失。
長(zhǎng)征5B殘片的最終倒塌點(diǎn)
末級(jí)殘片為何步入大氣層后會(huì)燃燒？能生熱的磨擦力，給我們生活又帶來了什么便利或麻煩？本期科學(xué)匯，我們約請(qǐng)到四川工業(yè)學(xué)院理大學(xué)數(shù)學(xué)系副書記、呂斌博士，來為朋友們答疑解惑。
末級(jí)殘片步入大氣層后為何會(huì)燃燒？
穿過大氣層的物感受低溫燃燒，是由兩個(gè)誘因造成的：空氣被物體高速?zèng)_擊而壓縮造成升溫；物體和空氣的磨擦升溫。
后者的化學(xué)機(jī)制是當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的速率超過音速后，空氣都會(huì)來不及避免高速運(yùn)動(dòng)的物體促使空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的壓力驟增，產(chǎn)生音障。這些壓力反過來壓縮空氣，被壓縮的空氣而升溫。壓縮二氧化碳升溫的道理類似用打氣筒打氣，過程中你去摸一下氣筒都會(huì)發(fā)覺很熱。
前者的化學(xué)機(jī)制是明天文章的主角：磨擦生熱。
音障
磨擦
殘片入大氣層后，都要和月球上空什么層面進(jìn)行磨擦？
月球表面的大氣層分布
此次的灰熊殘片從400km高空，經(jīng)過幾天的繞地飛行，降落到200km以下，步入空氣密度較大中間層、平流層和對(duì)流層，磨擦主要發(fā)生在這幾層。
鎂燃燒
以碳纖維為碳化物的碳化物材料的顯微照
為什么這樣的磨擦都會(huì)導(dǎo)致殘片燃燒？才能讓物體燃燒的氣溫稱為燃點(diǎn)，不同的物體的燃點(diǎn)是不一樣的。當(dāng)物體被加熱達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)就可以和二氧化碳發(fā)生物理反應(yīng)進(jìn)而燃燒。小學(xué)老師應(yīng)當(dāng)都給朋友們展示過鎂在二氧化碳中的燃燒，鎂的燃點(diǎn)是500多度。湖人表面的磨蝕材料主要以碳纖維為主。和鉆木取火一樣，當(dāng)磨擦形成的熱量不能及時(shí)散走，物體的氣溫都會(huì)下降直至燃點(diǎn)最終和大氣中的二氧化碳發(fā)生燃燒。
那為何湖人升空的時(shí)侯沒有發(fā)生燃燒呢？這是因?yàn)榛@網(wǎng)升空時(shí)遭到的磨擦力遠(yuǎn)大于殘片落地時(shí)遭到的磨擦力。
湖人升空
逃生艙返回地面
通常來講空氣摩擦力計(jì)算公式，空氣的磨擦力和物體速率以及空氣密度成反比。
湖人升空時(shí)，從地表經(jīng)過空氣密度最大的對(duì)流層，但此時(shí)運(yùn)動(dòng)速率是比較小的，到空氣密度小的暖層時(shí)反而運(yùn)動(dòng)速率最大。
相反，殘片回去時(shí)，在暖層速率較小(這兒是相對(duì)而言，速率似乎也并不小，約為7.68km/s，朋友們可以使用萬有引力和向心力公式估算一下)，因?yàn)槭冀K被月球引力加速，落到高度越低、空氣密度越大的地方速率越快(朋友們可以使用勻加速直線運(yùn)動(dòng)大致算一下，落地速率約為8.2km/s)。
所以，下落的磨擦力遠(yuǎn)小于升空時(shí)的磨擦力。
磨擦力給我們帶來了什么便利或麻煩？
磨擦力看不到摸不著，究竟有多厲害？我們先來做個(gè)科學(xué)小實(shí)驗(yàn)“筷子提米”：將牙簽插入一個(gè)裝滿面粉的杯子中，將米粒使勁壓實(shí)，松開牙簽頂端往上提，整瓶面粉也被提上去了。這是因?yàn)檠篮炁c米之間以及米與米之間的磨擦力很大導(dǎo)致的。
再舉個(gè)反例，人走路是借助鞋與地面之間的磨擦力。平常走路，假如衣服和地面沒有磨擦力，我們將寸步難行。可見，日常生活中，磨擦力對(duì)人類很重要。
通常，磨擦力分為滑動(dòng)磨擦、靜磨擦和滾動(dòng)磨擦。
滑動(dòng)磨擦相關(guān)的，中國(guó)有燧人取火的傳說。火使人類隨時(shí)都可以吃到鹵味，降低癌癥，促使腦部的發(fā)育和體制的進(jìn)化。火還給人類帶來了溫暖，因而擴(kuò)大了人類的活動(dòng)范圍。而燧人取火的方法就是鉆木取火。她們通過鉆木使木頭之間的滑動(dòng)磨擦生熱來達(dá)到燃點(diǎn)，因而讓木頭燃燒獲取火種。
靜磨擦更常見。走路時(shí)衣服和地面的磨擦，擰瓶塞時(shí)手和瓶塞側(cè)面的磨擦，傳送帶將物體轉(zhuǎn)移時(shí)物體和帶子之間的磨擦。聰明的同學(xué)會(huì)發(fā)覺，靜磨擦就是兩相對(duì)靜止物體之間的磨擦。而走路抱死時(shí)，就弄成了滑動(dòng)磨擦。
最后講講滾動(dòng)磨擦，本質(zhì)是靜磨擦。滾動(dòng)磨擦的存在致使方形的物體可以在地面上滾動(dòng)上去。因?yàn)闈L動(dòng)磨擦遠(yuǎn)大于滑動(dòng)磨擦，所以滾動(dòng)搬運(yùn)遠(yuǎn)比拖著搬運(yùn)省力。
其實(shí)，不僅便利，磨擦力也會(huì)帶來一些麻煩。例如能量的耗損。鐵路在運(yùn)動(dòng)的時(shí)侯，會(huì)遭到很大的空氣磨擦力，這促使火車不得不使用大量的驅(qū)動(dòng)力來對(duì)抗這個(gè)阻力進(jìn)而保持火車的時(shí)速，就造成額外的能量耗損。
興趣小組
磨擦力的秘密
曉得了磨擦力的不同分類，磨擦力的大小和方向，又和哪些有關(guān)呢？
以靜磨擦力舉個(gè)反例，人向右走就須要往左蹬腳，所以衣服和地面的接觸點(diǎn)處，衣服的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是往左，所以衣服遭到了靠右的靜磨擦力。這兒敲黑板，劃個(gè)重點(diǎn)：磨擦力方向的判斷必須仔細(xì)觀察接觸點(diǎn)處兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，不論哪些類型的磨擦力，物體所受的磨擦力的方向都和接觸點(diǎn)處物體的運(yùn)動(dòng)方向或則運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反。
至于磨擦力的大小，按照實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，則和兩物體接觸面的磨擦系數(shù)成反比，也和兩物體之間的壓力成反比。朋友們想一想，當(dāng)擰不開瓶塞時(shí)，你會(huì)如何辦？是不是會(huì)用更大的力壓緊瓶塞邊沿？這就是通過減小壓力來減小磨擦力，因而旋緊瓶塞。但若果手都疼了還是擰不開，咋整呢？通常用干抹布裹住瓶塞通過減小磨擦系數(shù)的方式旋緊瓶塞。假如朋友們還是不行的話，那可以去找力氣大的媽媽幫忙。
有朋友好奇發(fā)問：“真空環(huán)境下，有磨擦力嗎？”宏觀上，互相接觸的兩物體才有磨擦力，真空環(huán)境下物體沒有和其他物質(zhì)接觸，所以沒有磨擦力。
此次發(fā)射的長(zhǎng)征5B的芯級(jí)鵜鶘殘片之所以會(huì)最終回到地面，是由于400km高空依然有少量的分子分布在軌道上，所以芯級(jí)鵜鶘會(huì)在微弱的磨擦力下漸漸減速，當(dāng)速率不能維持其在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，才會(huì)被月球的引力吸引步入大氣層并墜地。
考考你
(1)右圖這雙靜止在木板上的衣服，遭到是哪些類型的磨擦力，其磨擦力的方向朝那里？
(2)單車是通過前輪驅(qū)動(dòng)的，也就是說前輪是主動(dòng)輪，后輪是被動(dòng)輪。一位中學(xué)生開車去中學(xué)，右圖所示自行車輪朝右順秒針滾動(dòng)，請(qǐng)判定前輪和后輪所遭到的滾動(dòng)磨擦力方向。
答：
（1）靜磨擦力。衣服有沿木板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，所以磨擦力是沿木板朝右上。
（2）前輪是主動(dòng)順秒針旋轉(zhuǎn)，在地面的接觸點(diǎn)是向后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所以前輪遭到的滾輪磨擦力是往前的。后輪是被動(dòng)順秒針旋轉(zhuǎn)，沒有磨擦力的話，后輪在地面接觸點(diǎn)的地方是傾向于往前滑動(dòng)的，所以后輪遭到的滾動(dòng)磨擦力是向后的。所以前輪的磨擦力是單車前進(jìn)的動(dòng)力，后輪的磨擦力是前進(jìn)的阻力。