在觀賞跳傘運動的時候,我們會看到一旦跳傘運動員離開飛機,馬上就會向地面迅速墜落,因此我們很容易會認為,如果宇航員不小心從空間站掉下來,也將發生同樣的事,這個宇航員也會迅速地向地球表面墜落。但事實卻並不是這樣,這是因為飛機和空間站抵抗地球引力的方式存在著很大的不同。
飛機之所以能夠呆在空中不掉下來,其基本原理就是飛機能夠利用空氣來產生上升力,由於跳傘運動員並不具備飛機的“本領”,因此當他離開飛機的時候,就會在地球引力的作用下迅速墜落。然而在空間站運行的高度,已經是接近真空的環境,所以空間站必須用另外的方式來不讓自己掉下去。牛頓曾經提出一個有趣的思想實驗:在地球表面的一座高山上架上一門大砲,然後將若干炮彈以不同的速度平射出去,這時我們就會發現,炮彈的落地點與大砲的距離會隨著速度的增加而越來越遠,按照這樣的思路,再輔以“地球是圓的”這個事實,我們很容易就可以推測出,當某顆炮彈的速度達到了某個值的時候,這顆炮彈就會繞著地球飛行,再也不會落回地面(註:由於這是思想實驗,所以並沒有考慮空氣阻力等因素)。
時至今日,牛頓的這個推測早已得到證實,現在的空間站就是利用這個原理來抵抗地球的引力,事實上,空間站並不是我們想像中的那樣在軌道上慢悠悠地運動,它的速度其實是相當快的,相關數據顯示,正常運行狀態下的空間站速度大約為每秒鐘7.7公里。那麼如果宇航員不小心從空間站掉下來,會有什麼後果呢?
根據我們在初中學到的物理知識,從空間站掉下來的宇航員會因為慣性而保持與空間站一樣的速度,這就意味著,這位宇航員會與空間站“並肩”在軌道上運動,所以他也具備空間站用以抵抗地球引力的“本領”,因此他並不會像想像中的那樣迅速地向地球表面墜落。
然而畢竟這位宇航員是從空間站掉下來的,所以說他和空間站之間就會有一個或大或小的相對速度,所以說這種“並肩飛行”的狀態並不會一直持續下去,而如果這位宇航員沒有得到及時救援,或者沒有完成自救(比如說把隨身攜帶的物品用力扔出去,利用動量守恆的原理來獲取反向的加速度),那麼他遲早會與空間站漸行漸遠,從而成為一顆圍繞著地球運行的非常另類的“衛星”。不過這樣的情形也不會持續多久,我們再來看看接下來又發生了又會發生什麼事。空間站通常都是運行在距離地面400公里的軌道上,雖然這裡接近真空,但是仍然還存在著極為少量的物質。而因為在這種情況下的宇航員完全是靠著慣性來保持著高速,所以這些物質所製造的阻力將會慢慢地降低他的速度,隨著速度的逐漸減小,這個宇航員運行的軌道也就會越來越低。
順便講一下,同樣的原因也會造成空間站的運行軌道逐漸降低,因此所有的空間站都會時不時地利用自身的動力來修正一下自己的軌道,否則的話後果不堪設想。需要注意的是,地球大氣層的空氣密度並非隨著高度的增長而逐漸減小,其實大氣層裡超過98%的空氣,都是集中在距離地面100公里的範圍以內。
在進入這個範圍之前,這個宇航員減速的幅度是非常小的,估計至少都要好幾個月的時間,其運行軌道才會進入這個範圍。在這段時間裡,他會圍繞著地球運動很多圈,平均下來大概每兩小時就會經歷一次晝夜的轉換。隨著時間的推移,這個不小心從空間站掉下來的宇航員最終將會進入擁有稠密空氣的大氣層,在這個時候,大量的空氣所產生的阻力將會極大地降低這個宇航員的軌道速度,與此同時,這些空氣還會因為被這個宇航員的高速壓縮而產生數千攝氏度的高溫,從而將這個宇航員吞噬。值得一提的是,所有的宇航員都是經過了嚴格的訓練,當他們在空間站工作的時候,會非常認真地遵守空間站精心設置的安全操作規程,因此可以說,像“不小心從空間站掉下來”這種情況,雖然後果很嚴重,但其發生的概率實際上是非常非常低的。