Почему вода выталкивает лед

Почему лед не тонет в воде: ответы

В океане дрейфуют полярные ледяные глыбы и айсберги, и даже в напитках лед никогда не опускается на дно. Можно сделать вывод, что лед не тонет в воде. Почему? Если подумать об этом, то этот вопрос может показаться немного странным, потому что лед твердый и — интуитивно — должен быть тяжелее жидкости. Хотя это утверждение справедливо для большинства веществ, вода является исключением из правила. Воду и лед отличают водородные связи, которые в твердом состоянии делают лед легче, чем когда он находится в жидком состоянии.

Вопрос научный: почему лед не тонет в воде

Представим, что мы находимся на уроке под названием «Окружающий мир» в 3 классе. «Почему лед не тонет в воде?», — спрашивает учительница у детей. И малыши, не имея глубоких познаний в физике, начинают рассуждать. «Возможно, это магия?» — заявляет один из детей.

Действительно, лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом и, если признаться, именно оно изменяет пути эволюции планет.

Существуют некоторые планеты, которые содержат огромное количество таких жидких углеводородов, как, например, аммиак — тем не менее, при замерзании этот материал опускается на дно. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.

Говоря научным языком, в процессе замерзания устанавливаются быстрые циклы выветривания и определенные химические вещества, выделяемые на поверхности способны растворять минералы. В целом, с замерзанием воды связаны такие процессы и возможности, которых физические свойства других жидкостей не предполагают.

Плотность льда и воды

Таким образом, ответ на вопрос о том, почему лед не тонет в воде, а плавает на поверхности, заключается в том, что он имеет более низкую плотность, чем жидкость — но это ответ первого уровня. Для лучшего понимания нужно знать, почему у льда низкая плотность, почему вещи всплывают в первую очередь, как плотность приводит к плаванию.

Вспомним греческого гения Архимеда, который выяснил, что после погружения определенного предмета в воду объем воды увеличивается на число, равное объему погружаемого объекта. Другими словами, если вы положите глубокое блюдо на поверхность воды, а затем поместите в него тяжелый предмет, то объем воды, который нальется в блюдо, будет точно равен объему объекта. Не имеет значения, объект погружается полностью или частично.

Свойства воды

Вода — это удивительное вещество, которое в основном питает жизнь на земле, ведь каждый живой организм нуждается в ней. Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.

Например, во время приготовления салата, можно заметить, что масло находится на поверхности уксуса — это можно объяснить тем, что оно обладает меньшей плотностью. Этот же закон действителен и для объяснения того, почему в воде лед не тонет, а в бензине и керосине — тонет. Просто эти два вещества обладают меньшей, чем у льда, плотностью. Так, если вы запустите в бассейн надувной мячик, он будет плавать на поверхности, если же вы бросите в воду камень — он опустится на дно.

Какие изменения происходят с водой при замерзании

Причина того, почему лед не тонет в воде, связана с водородными связями, которые изменяются при замерзании воды. Как известно, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они прикреплены ковалентными связями, которые невероятно сильны. Однако другой тип связи, который образуется между различными молекулами, называемый водородной связью, слабее. Эти связи образуются потому, что положительно заряженные атомы водорода притягиваются отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды.

Когда вода теплая, молекулы очень активны, много перемещаются, быстро образуют и разлагают связи с другими молекулами воды. У них есть энергия, чтобы приближаться друг к другу и двигаться быстро. Итак, почему лед не тонет в воде? Химия скрывает ответ.

Физико-химия льда

По мере того, как температура воды опускается ниже 4 °C, кинетическая энергия жидкости уменьшается, поэтому молекулы больше не перемещаются. У них нет энергии для перемещения и такого же легкого, как при высокой температуре, разрыва и формирования связей. Вместо этого они образуют больше водородных связей с другими молекулами воды с образованием гексагональных структур решетки.

Они образуют эти структуры, чтобы поддерживать отрицательно заряженные молекулы кислорода друг от друга. В середине шестиугольников, образуемых в результате деятельности молекул, много пустоты.

Лед тонет в воде — причины

Лед фактически на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Практически это имеет смысл, потому что лед расширяется. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды — замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Если у вас есть литровая бутылка льда и литровая бутылка воды, тогда бутылка с ледяной водой будет легче. Молекулы находятся дальше друг от друга в этой точке, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде.

Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды — она обладает меньшей плотностью. Вспомните, когда вы находитесь на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда вы опускаете свои ноги глубже, ощущаете холод нижнего слоя.

Значение процесса замерзания воды в функционировании планеты

Несмотря на то что вопрос «Почему лед не тонет в воде?» для 3 класса, очень важно понимать, почему этот процесс происходит и какое имеет значение для планеты. Так, плавучесть льда имеет важные последствия для жизни на Земле. Озера замерзают зимой в холодных местах — это позволяет рыбе и другим водным животным выживать под ледяным покрывалом. Если бы замерзло дно, то высока вероятность того, что все озеро могло бы быть заморожено.

В таких условиях в живых не осталось бы ни единого организма.

Если бы плотность льда была выше плотности воды, то в океанах лед бы опустился, и ледяные шапки, которые в таком случае находились бы на дне, не позволили бы кому-либо там жить. На дне океана было бы полно льда — и во что бы это все превратилось? Кроме всего прочего, полярный лед важен, поскольку он отражает свет и предохраняет планету Земля от чрезмерного перегревания.

Источник

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Пишите нам письма

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник