Gheața plutește pe apă deoarece are o densitate mai mică decât apa lichidă. La înghețare, moleculele de apă formează o structură în care ocupă, în ansamblu, mai mult spațiu. Aceeași masă ajunge să aibă un volum mai mare. În apă, un cub de gheață se scufundă parțial până când forța de împingere a lichidului îi echilibrează greutatea.
Imaginează-ți un pahar cu apă și un cub de gheață. O mică parte a cubului rămâne deasupra suprafeței; cea mai mare parte este sub apă. Nu îl ține acolo forma cubică și nici faptul că este rece. Explicația leagă două idei: densitatea și forța arhimedică.
Ce se schimbă când apa îngheață?
Densitatea este masa împărțită la volum: ρ=m/V. Dacă masa unei probe rămâne aceeași, dar volumul crește, densitatea scade. Pentru apă, trecerea la gheața obișnuită produce tocmai această situație. Legăturile de hidrogen favorizează o structură cristalină mai deschisă decât aranjamentul moleculelor în lichid.
Asta nu înseamnă că fiecare moleculă se umflă. Se schimbă aranjarea moleculelor și spațiul ocupat de ansamblu. Densitatea apei este prezentată de USGS, în materialul despre densitatea apei, iar structura gheții este explicată în materialul Colorado State University despre apă și gheață.
Pentru calcule școlare putem aproxima densitatea apei la 1 g/cm³ și pe cea a gheții la 0,92 g/cm³. Sunt valori rotunjite, apropiate de condițiile uzuale din jurul înghețului, nu constante identice la orice temperatură. Valorile de referință pentru densitate se găsesc și în tabelul de densități OpenStax.
Cum poate apa să susțină un cub de gheață?
Un corp introdus în apă este împins în sus de o forță numită forță arhimedică. Mărimea ei este egală cu greutatea lichidului dezlocuit. Pentru un corp care plutește liniștit, forța aceasta echilibrează greutatea corpului. Principiul este explicat în lecția OpenStax despre forța arhimedică.
Pe măsură ce cubul intră mai mult în apă, dezlocuiește un volum mai mare de lichid. Echilibrul apare înainte ca întregul cub să fie scufundat, fiindcă apa dezlocuită poate avea aceeași masă ca gheața folosind un volum mai mic.
Distinge două formulări: gheața este mai puțin densă decât apa; gheața nu este „fără greutate”. Un bloc mare de gheață poate avea o greutate uriașă și tot poate pluti. Pentru plutire contează comparația densităților și volumul de lichid dezlocuit, nu doar masa luată separat.
Exemplu rezolvat: cât din cub rămâne sub apă?
Date: un cub de gheață are volumul de 50 cm³. Folosim ρgheața˘ = 0,92 g/cm³ și ρapa˘ = 1 g/cm³. Neglijăm aerul, topirea și alte efecte mici.
- Masa cubului este m = ρ × V = 0,92 × 50 = 46 g.
- La plutire, apa dezlocuită are aceeași masă: 46 g.
- Volumul apei dezlocuite este 46/1 = 46 cm³.
- Volumul scufundat reprezintă 46/50 = 0,92, adică 92% din volumul total.
Rămân deasupra apei aproximativ 4 cm³, adică 8% din volum. Aceasta este proporția de volum, nu automat proporția de înălțime pentru orice formă. Pentru un cub cu fețele orizontale interpretarea geometrică este simplă; pentru o bucată neregulată, înălțimea vizibilă poate induce în eroare.
Poți verifica rezultatul și prin raportul densităților: fracția scufundată = ρcorp/ρlichid. Relația se aplică unui corp care plutește în echilibru, cu ipotezele de mai sus. Dacă ai nevoie de conversii între grame, centimetri cubi și unități SI, vezi ghidul despre densitate, unități și calcule.
De ce nu plutesc toate solidele pe propriul lichid?
Afirmația „solidul este întotdeauna mai dens decât lichidul” este o generalizare greșită. Contează substanța și structura ei. Apa este exemplul familiar în care solidificarea obișnuită scade densitatea. Pentru alte materiale trebuie să consulți datele, nu să deduci comportamentul doar din cuvintele „solid” și „lichid”.
La fel de greșit este să spui „orice obiect rece plutește”. O linguriță metalică rece se scufundă, de regulă, în apă. Răcirea nu acordă unui corp o proprietate universală de plutire. Trebuie să compari densitatea medie a obiectului cu aceea a lichidului și să ții cont de situația fizică.
De ce apa are densitatea maximă în jur de 4 °C?
Apa lichidă are un comportament neobișnuit: densitatea ei este maximă în apropiere de 4 °C, la presiune atmosferică. Răcită de la această temperatură spre 0 °C, devine puțin mai puțin densă. Nu trebuie confundată această variație în stare lichidă cu schimbarea mai mare produsă de înghețare.
Într-un model simplificat de lac cu apă dulce, apa de la suprafață se răcește și se amestecă cu straturile inferioare. După răcirea spre 4 °C, apa și mai rece poate rămâne deasupra. Gheața formată la suprafață plutește. Această explicație ajută să înțelegi de ce un lac poate avea gheață deasupra și apă lichidă dedesubt; adâncimea, vântul și condițiile locale influențează situația reală.
Ce se întâmplă cu nivelul apei când gheața se topește?
Pentru gheață de apă dulce care plutește în apă dulce, modelul ideal spune că nivelul rămâne practic același după topire. Înainte de topire, cubul dezlocuiește apă cu masa egală cu a lui. După topire, apa rezultată are acea masă și ocupă volumul corespunzător.
Revenim la cubul de 46 g: în timpul plutirii dezlocuiește aproximativ 46 cm³ de apă. După topire produce aproximativ 46 cm³ de apă, în aceeași aproximație de densitate. Partea vizibilă deasupra suprafeței nu reprezintă un volum suplimentar de apă care se adaugă peste cei 46 cm³.
Nu extinde concluzia fără condiții. O piatră prinsă în gheață, apa sărată sau modificările de temperatură schimbă modelul. Gheața aflată pe uscat, care se topește și ajunge într-un bazin, este altă situație: ea nu dezlocuia anterior apa din bazin.
O provocare pe hârtie: unde plutește mai sus?
Consideră același corp de gheață într-un lichid cu densitatea de 1 g/cm³ și apoi într-un lichid cu densitatea de 1,04 g/cm³. Presupunem că nu se dizolvă, nu se topește și nu se modifică. Ce proporție rămâne scufundată în al doilea lichid?
Calculul este 0,92/1,04 ≈ 0,885, adică aproximativ 88,5%. Corpul plutește mai sus decât în primul lichid, unde era scufundat 92%. Numerele sunt alese pentru exercițiu; nu reprezintă o rețetă pentru un amestec. Pentru exerciții în care condițiile de plutire diferă, poți discuta acest calcul cu un profesor de fizică, pornind de la ipotezele enunțului.
Întrebări frecvente despre gheață
Gheața plutește datorită aerului din interior?
Bulele de aer pot influența densitatea unei bucăți, dar nu sunt explicația de bază. Și gheața compactă obișnuită este mai puțin densă decât apa lichidă.
De ce o sticlă plină poate fi deteriorată la îngheț?
Apa are nevoie de mai mult volum când devine gheață obișnuită. Dacă recipientul limitează expansiunea, pot apărea solicitări mari. Este o explicație a fenomenului, nu un experiment de încercat cu recipiente închise.
Ce trebuie să rețin pentru o problemă?
Notează densitatea corpului, densitatea lichidului și condiția de plutire. Apoi verifică dacă volumul cerut este total sau scufundat. Pentru alte legături între fenomene și formule, continuă în secțiunea Științe.
