Достаешь из холодильника бутылочку газировки, наливаешь в стакан, кидаешь кубик льда – только что из морозилки. Смотришь, как он кружится вместе с поднявшимися пузырьками сверху, а вниз не опускается. До сих пор иногда на секундочку удивляюсь, почему же он не тонет на дне – но вспоминаю курс физики, и вопрос о том, почему лед плавает на поверхности воды, сразу улетучивается.
Из-за чего лёд не тонет
С жидкостями действует одно очень простое правило: менее плотное всплывает, более плотное – тонет. Это звучит достаточно логично.
Лед – это та же вода, но в другом своем агрегатном состоянии. И по идее, плотность должна быть абсолютно такой же. Только на деле все немного хитрее.
Плотность жидкости или твердого тела показывает, насколько плотно там расположены молекулы. Если в маленьком кусочке объема объекта молекул больше, чем на аналогичных размеров кусочке другого объекта – то и плотность будет выше.
Когда вода превращается в лед, она при этом начинает занимать больше пространства. А количество молекул остается таким же, каким и было раньше. Получается, что на единицу объема молекул приходится меньше – а значит, и плотность у льда тоже будет меньше. И вода просто вытолкнет его на поверхность – что мы и можем увидеть, попивая лимонад со льдом.
Что еще не тонет в воде и почему плавать проще, если ты много весишь
Лед – далеко не единственное, что в воде не тонет. Еще несколько примеров:
- Пробки.
- Дерево.
- Пенопласт.
- Подсолнечное масло или другие жиры.
И причина та же самая – меньшая, чем у воды, плотность.
При этом их низкая плотность может даже скомпенсировать более тяжелые предметы. К примеру, если вы положите иголку на деревянную дощечку или тщательно смажете ее жиром, она не утонет – а будет спокойно плавать.
Поэтому более упитанным людям легче плавать – их собственные жировые массы, как ни странно, не тянут их ко дну, а, наоборот, вытягивают к поверхности.
Также по этой причине начинающие пловцы часто пользуются пробковыми или пенопластовыми дощечками. Так что если вы никак не можете научиться плавать – можно просто немного поправиться.
Лёд не тонет, потому что он легче воды! Как такое может быть, спросишь ты? Вода - уникальная жидкость. Когда вода остывает, ниже 4 градусов Цельсия, она расширяется в объеме. Ее объем становиться больше, а вес меньше. Поэтому лед плавает на поверхности воды.
С детства мне нравится наблюдать за простыми вещами и находить объяснение происходящему. Вы когда-нибудь размышляли о причине всплывания льда вверх воды? Давайте попробуем вместе, ведь всегда интересно находить решение на простые вопросы со стороны научного знания. Применить несколько простых правил физики и найти понятное разъяснение.
Агрегатные состояния воды
На планете так заложено, что многие материалы, под действием температуры могут изменять свой вид. Способность сохранять неизменным плотность и объём в заложенном промежутке распора и температуры называется агрегатным состоянием.
Даже дома вы сами можем выделить все ступени воды:
- Жидкое. Она максимально распространена на планете, мы видим её везде - когда идет дождь; в озерах и реках.
- Твёрдое - лёд. Например, намерзает на стенках холодильника или зимой замерзает озеро и река.
- Пар. Его всегда заметно, когда вода в кастрюле или чайнике закипает.
Так, под действием низкой температуры, вода застывает, а под действием высокой - испаряется. В домашних условиях температура закипания воды равняется 100°С, таяния 0°С, а замерзания -1°С.
Почему ледышка не тонет в воде
Многие замечали, что кубики льда в напитке, ледяная глыба в океане, лёд на реке никогда не тонут в воде. Давайте объясню причину этого явления.
Так как вы теперь знаете об изменении фаз, нужно разобраться в их характеристиках. В основном, температура и плотность характеризуют разные состояния. Крепость соединения молекул является основным значением при объяснении причины всплывания льда. Скрепление является решающим моментом в распределении слоистости. Вода во всех трёх своих состояниях обладает неодинаковой плотностью. Жидкость - максимально крепкое соединение, её плотность равняется 0,99 грамм на кубический сантиметр. Лёд - 0,99. Пар 0,11 соответственно. Полая конструкция льдинки имеет более слабую крепость, чем жидкость. Уверенное сцепление жижи выталкивает льдины с низкой насыщенностью и не даёт им потонуть. Именно из-за этого лёд способен всплывать вверх.
Каждый из нас наблюдал, как весной на речке плавают ледяные пластины. Но почему же они не тонут? Что удерживает их на водной глади?
Складывается впечатление, что несмотря на их вес, что-то просто не даёт им опуститься вниз. Суть этого загадочного явления и собираюсь раскрыть.
Почему же лёд не тонет
Всё дело в том, что вода — очень необычные вещество. Она обладает удивительными свойствами, которые мы порой просто не замечаем.
Как известно, почти все вещи в мире расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Это правило распространяется и на воду, но с одним интересным замечанием: при охлаждении от +4°С до 0°С вода начинает расширяться. Этим и объясняется низкая плотность ледяных масс. Расширенная от явления выше вода становится легче той, в которой находится, и начинает дрейфовать на её поверхности.
Чем опасен такой лёд
Описанное выше явление часто встречается в природе и быту. Но если начать забывать о нём, то оно может стать источником многих проблем. Например:
- зимой от замёрзшей воды могут лопнуть водопроводные трубы;
- эта же вода, замерзая в горных трещинах, способствует разрушению пород, вызывая горные обвалы;
- нельзя забывать сливать воду с автомобильного радиатора, чтобы избежать вышеописанных ситуаций.
Но есть и положительные моменты. Ведь если бы вода не обладала такими удивительными свойствами, то не было бы такого вида спорта, как катание на коньках. Под тяжестью тела человека лезвие у конька так сильно давит на лёд, что тот просто тает, создавая водяную плёнку, идеальную для скольжения.
Вода в океанических глубинах
Ещё одним интересным моментом является то, что даже несмотря на нулевую температуру в океанических (или морских) глубинах, вода там не замерзает, не становится ледяной глыбой. Почему это происходит? Тут всё дело в давлении, которое оказывают верхние водные слои.
Вообще, давление способствует затвердеванию различных жидкостей. Оно вызывает сокращение объёма тела, значительно облегчая её переход в твёрдое состояние. Но вода при замерзании не уменьшается в объёмах, а наоборот, увеличивается. И поэтому давление, препятствуя водному расширению, снижает температуру её замерзания.
Это всё, что я могу рассказать об этом интересном явлении. Надеюсь, вы узнали для себя что-нибудь новое. Удачи в путешествиях!
Когда я была школьницей, я любила проводить дома небольшие эксперименты. Однажды, я обратила внимание, что лед не тонет в воде. Тогда меня это удивило, ведь лед – это та же самая вода, просто перешедшая в твердое агрегатное состояние. Тогда мама (а она у меня учитель географии) объяснила мне, в чем тут дело. Попробую объяснить и я.
Что такое лед
Лед – это замерзшая вода. Внутри нее формируется правильная кристаллическая решетка. Молекулы льда имеют молекулярные связи, присущие минералам и драгоценным камням (алмазам, кварцу, турмалину).
Свойства льда:
- Прозрачность – пропускает солнечные лучи.
- Не имеет цвета.
- Твердость.
- В некоторых случаях ему присуща текучесть.
- Хрупкость.
- Спайность.
Почему лед не тонет в воде
Обычно, если опустить твердое тело в жидкость, полученную при его плавлении, то оно сразу же тонет. Я попробовала это сделать с воском. Взяла небольшую баночку, расплавила в ней воск, а затем бросила туда еще кусочек, он тотчас опустился на дно.
Так почему же со льдом все наоборот? На самом деле все очень просто. Когда вода замерзает, она начинает увеличиваться в объеме. Разница в объеме составляет около 10%. Соответственно плотность льда становится меньше плотности воды так же примерно на 10%. Поэтому лед, как любое другое твердое тело, имеющее меньшую плотность, чем жидкость, плавает на ее поверхности.
В океанах можно встретить огромные плавающие льдины – айсберги. Они могут достигать просто гигантских размеров. При том важно помнить, что 0,9 всего объема айсберга находится под водой, а значит встреча корабля с такой огромной льдиной может быть очень опасна. Ведь если команда судна вовремя его не заметит, то корабль может получить значительные повреждения. Яркий пример тому - печальная судьба «непотопляемого» Титаника.
А представьте, что было бы, если бы лед тонул. Тогда зимой опускающийся на дно водоема лед вытеснял бы нижние слои воды наверх. Это происходило бы до тех пор, пока водоем не замерз бы целиком. Это привело бы к гибели всех живых организмов, обитающих в воде.
Всё довольно просто на первый взгляд, и можно ответить, что вода не подчиняется закономерности "с понижением температуры плотность увеличивается", и просто-напросто лёд легче воды. НО! В некоторых ситуациях лёд всё таки тонет, например дейтериевый и тритиевый за счёт того, что их плотность равна плотности воды.
Меня заинтересовал этот вопрос, когда я был маленьким. Любознательность привела меня к папе. Он сказал, что я глупый, раз не понимаю таких простых вещей, ведь если бы лёд тонул в воде, то раздавил бы всю рыбу. ) Иногда родителей надо слушать, но, разумеется, лёд не тонет не потому, что ему жалко подводных обитателей, а из-за своих физических свойств.
Почему лёд не может утонуть
Как и другая жидкость, вода может удержать на себе все, что легче, чем она. Попробуйте поставить на нее бумажный кораблик или капните немного жира, вы увидите, что они не пойдут ко дну, а останутся на поверхности. Так вот, плотность льда тоже меньше.
Все дело в том, что при замерзании воды, ее размер увеличивается на 11–13 %, тем самым снижая плотность. Именно поэтому оставить доверху наполненную бутылку в морозильнике на ночь будет плохой идеей. Жидкость увеличится в объемах и просто разорвет емкость. По этой же причине, я не рекомендую автомобилистам оставлять воду в радиаторе, когда за окном минусовая температура.
Самый холодный лёд
Ученые не обошли стороной даже лёд и активно ставят над ним эксперименты. Не так давно подтвердилась эффективность введения в кровь специальных круглых кристалликов льда во время операции. Таким образом врачи увеличивают время, за которое можно спасти человека приблизительно на 30–35 минут.
В лабораториях также были созданы различные модификации льда, который был получен при очень низких температурах:
- лёд II — образуется, если сжать обычный лед при температурах ниже –70 °C;
- лёд III — получится, если «нагреть» лёд II до –50 °C, его плотность больше, чем у воды, этот лед утонет;
- лёд V — охлаждение обычного льда на 2 десятка градусов и сильное давление, у него самая сложная структура из всех модификаций;
- лёд IX — его можно получить из льда III, если постепенно охлаждать его до –80 °C;
- лёд XIV — образуется при температуре ниже –140 °C.
У Курта Воннегута было произведение, в котором фигурировал лёд IX. Там он показан как новый вид оружия, заставляющий мгновенно застывать любого, кто к нему прикоснется. Конечно, это далеко от действительности, но кто знает, как далеко сможет зайти наука.
Замерзшая вода не только не тонет, она еще и заметно увеличивается в объеме. Поэтому, вода в стеклянной бутылке обязательно разорвет емкость при замерзании))
Меня никогда не удивляло, почему лёд не тонет, а плавает по поверхности воды. Я, будучи ребенком, обожала плескаться в ванне с кучей самых разных игрушек, включая резиновых уточек, китов, рыбок и прочих, поэтому прекрасно знала, что на свете есть много всякого, что не тонет в воде. Ну, лёд. Не тонет и не тонет - рада за него.
Но вот позже любопытство взяло свое.
Лёд в воде
Кубики льда в стакане, дрейфующие льдины на поверхностях рек и морей, айсберги... Все мы знаем достаточно примеров не тонущего льда.
Но почему лёд не тонет?
Давайте сразу поясню, что лёд и вода - это одно и то же вещество. Но одно в твердом состоянии, а другое - в жидком.
И при переходе из одного состояния в другое вода меняет структуру. Она расширяется, молекулы отдаляются друг от друга, вся структура вещества от этого становится менее плотной.
Из-за своей меньшей плотности лёд просто не может "продавить" воду и погрузиться в нее.
Разный лёд
Все мы знаем, что вода замерзает при минусовой температуре, когда отметка на термометре опускается ниже 0°C.
Всегда ли это так? Нет, не всегда.
Морская вода, например, из-за содержащейся в ней соли замерзает при более низких температурах. Температура эта зависит от солёности, которая, как известно, в разных морях и океанах разная, но в среднем - это около −1,8 °C.
Лёд может содержать не только воду, но и самые разные примеси.
Примеси могут быть:
- твердыми (например, кристаллы соли в морском льде);
- жидкими;
- газообразными (например, пузырьки воздуха).
Морской лёд, несмотря на свои отличия от пресного, также не тонет в воде
.
Но бывает и такой лёд... который в воде тонет!
А всё потому, что его плотность больше, чем у обычного. Но каким образом он такой аномальный получается?
Лёд из тяжёлой воды будет тонуть в обычной. Тяжёлая вода состоит из кислорода и тяжёлого изотопа водорода - дейтерия.
Формула этой воды - 2H2O. Ее плотность выше, чем у простой воды. То же относится и к тяжелому льду.
Погружаться в воду может также "грязный" лёд с большим количеством примесей.
Такое интересное явление, когда ты в младших классах жаждешь наступления настоящих "взрослых" школьных предметов. Я в своё время так ждал физику и брал начальный учебник за седьмой класс в руки ещё за год до официальной встречи с ним. И одна из тем, расположившихся на его страницах, вполне может ответить на вопрос о плавучести льда. Я постараюсь об этом рассказать.
Выталкивающая сила
Начну с того, что глобально это явление возможно благодаря силе, выталкивающей тела из газов или жидкостей. В школьных классах мы узнали о ней как о силе Архимеда. В действительности, сила Архимеда:
- действует на всё, что находится в жидкости или газе;
- направлена противоположно силе тяжести;
- численно равна весу среды (в которую погружают тело), взятой в объёме погружаемого тела.
В общем, если положить в воду шарик объёмом в десять кубических сантиметров, то выталкивающая шарик сила будет равна весу десяти сантиметров в кубе воды. Из-за того, что архимедова сила действует в противоположную сторону от действия силы тяжести, она как бы пытается уравнять её, и тело под борьбой этих двух сил может плавать.
Почему лёд не тонет в воде
Но, как мы знаем, далеко не всё держится на воде. Не вдаваясь в формулы, могу сказать, что будет ли что-либо плавать или не будет, зависит от соотношения плотностей этого чего-либо и жидкости. Плотность - это величина, сообщающая нам массу материала, взятого в единице объёма. Если у вас есть однородная вещица - узнайте её массу, объём, поделите первое на второе и готово: плотность вы знаете! Так вот, если плотность жидкости больше плотности тела, то тело будет стремиться на поверхность и плавать там. Если они равны - тело просто плавает. Если плотность тела больше - оно тонет. Вроде бы всё понятно, получается лёд плавает, потому что он менее плотный нежели вода, но... лёд - та же вода, как так? Дело в том, что при кристаллизации (превращение в лёд) воды образуется кристаллическая решётка из шестигранников, внутри которых остаётся много пустого пространства, что снижает плотность (интуитивно понятно). И, кстати, поэтому в твёрдом агрегатном состоянии вода занимает больший объём, а не наоборот как у большинства веществ.
Вот как-то так можно объяснить, почему лёд плавает на воде. Надеюсь, у меня получилось это не слишком заумно и все понятно.