De ce gheața plutește pe apă

De ce plutesc sau se scufundă obiectele

Un obiect plutește atunci când are flotabilitate pozitivă (se ridică), adică este mai puțin dens decât fluidul în care este scufundat, iar acest fenomen poate fi explicat prin principiul lui Arhimede. Acesta spune că un obiect scufundat parțial sau complet într-un fluid este împins de jos în sus cu o forță egală cu greutatea volumului de fluid dislocat de acel corp. Această forță se numește forță arhimedică, este notată cu F_a și se calculează astfel:

F_a = ρ × V × g, unde:

F_a = forța ascensională (de flotabilitate), măsurată în newtoni (N)

ρ = densitatea fluidului (kg/m³)

V = volumul porțiunii scufundate a obiectului (m³)

g = acceleraţia gravitațională (≈ 9,81 m/s²)

Pentru ca un obiect să plutească, forța ascensională trebuie să fie cel puțin egală cu forța gravitațională. Ce anume determină acest lucru? Răspunsul este legat chiar de descoperirea care l-a făcut pe Arhimede să sară din cadă și să alerge dezbrăcat pe stradă strigând „Evrika!”. El a realizat că volumul de apă dislocat este egal cu volumul porțiunii scufundate a obiectului.

Așadar, dacă volumul apei dislocate este egal cu volumul porțiunii scufundate a obiectului, atunci forța ascensională F_a este egală cu densitatea apei, înmulțită cu volumul porțiunii scufundate a obiectului, înmulțită cu forța gravitațională, adică greutatea obiectului. Altfel spus, un obiect poate pluti doar dacă raportul dintre spațiul gol și masa sa este mai mare decât cel al fluidului în care se află, iar pentru a înțelege acest fenomen este nevoie de câteva noțiuni fundamentale.

Flotabilitatea: ce este şi câte tipuri există

Termenul de flotabilitate se referă la forța care împinge un obiect în sus și apare atunci când acesta este scufundat, integral sau parțial, într-un fluid cu o densitate măsurabilă, iar fluidul poate fi lichid și gazos, dar niciodată solid. Unitatea de măsură pentru forța de flotabilitate este newtonul (N), potrivit Sistemului Internațional de Unități. În funcție de relația dintre densitatea obiectului și cea a fluidului, există trei tipuri de flotabilitate:

• flotabilitate negativă – un obiect are flotabilitate negativă când este mai dens decât fluidul dislocat; obiectul se va scufunda, deoarece greutatea sa depășește forța de flotabilitate;
• flotabilitate neutră – un obiect are flotabilitate neutră când densitatea sa este egală cu cea a fluidului. În acest caz, forța de flotabilitate echilibrează perfect gravitația, iar obiectul nu se va scufunda, dar nici nu se va ridica la suprafață;
• flotabilitate pozitivă – un obiect are flotabilitate pozitivă când acesta este mai ușor decât fluidul dislocat. Acesta va pluti la suprafață, deoarece forța de flotabilitate depășește greutatea sa, aflăm de pe seaperch.org.

Ce este densitatea

Densitatea este o mărime fizică a cantității de materie care ocupă un anumit volum de spațiu. Substanțele cu densitate mare au particulele așezate compact, în timp ce particulele substanțelor cu densitate mică sunt dispuse mai lejer. Din punct de vedere matematic, densitatea unei substanțe reprezintă masa raportată la volum și este notată, de regulă, cu simbolul grecesc ρ (rho). Formula densității este următoarea:

ρ = m / V, unde:

m = masa

V = volumul

Dacă am compara, de exemplu, un burete și o piatră de aceleași dimensiuni, piatra ar fi mult mai densă, deoarece buretele conține sute de goluri de aer în același volum de spațiu. În cazul buretelui, când se calculează densitatea lui, se ia în calcul atât masa materialului solid, cât și cea a aerului care umple găurile buretelui. Același principiu explică de ce o carenă de barcă plină cu aer plutește, în timp ce una umplută cu apă se scufundă. Densitatea unei bărci umplute cu aer este mult mai mică decât cea a unei bărci umplute cu apă.

Ce solide sunt mai dense decât lichidele din care provin

Un obiect va pluti la suprafața unui lichid doar dacă densitatea sa este mai mică, însă se întâmplă foarte rar ca forma solidă a unei substanțe să fie mai puțin densă decât forma sa lichidă. O substanță poate exista în diferite stări de agregare, care diferă doar prin modul în care sunt aranjate particulele care o compun.

Astfel, într-un solid, moleculele sunt dispuse compact, într-un tipar ordonat și repetitiv, ceea ce poartă denumirea de rețea cristalină. Atunci când un solid este încălzit, moleculele sale capătă energie și încep să vibreze mai intens în jurul pozițiilor pe care le ocupă. La un moment dat, energia acumulată este suficientă pentru ca moleculele să se desprindă din rețeaua cristalină.

În acest fel ia naștere starea lichidă, ceea ce înseamnă că moleculele se pot deplasa liber, dar vor rămâne, în general, relativ apropiate unele de altele. Dacă încălzirea solidului va continua, moleculele vor ajunge să se separe complet unele de altele și vor forma un gaz. Pe măsură ce materialul trece prin fiecare schimbare de stare, densitatea lui scade progresiv.

De ce este gheața mai puțin densă decât apa

Acesta este motivul pentru care mulți își pun următoarea întrebare: dacă, în mod obișnuit, solidele sunt mai dense decât lichidele, atunci de ce gheața plutește pe apă? Răspunsul constă în faptul că apa reprezintă un caz special. Moleculele de apă sunt influențate de un fenomen care poartă denumirea de legătură de hidrogen, relatează sciencefocus.com.

Concret, molecula de apă are o formă de „V”, fiind alcătuită dintr-un atom de oxigen în mijloc de care sunt atașați câte un atom de hidrogen pe fiecare parte. Molecula este menținută prin legături covalente, adică prin perechi de electroni care sunt partajați între atomi. Totuși, atomul de oxigen atrage electronii încărcați negativ mult mai puternic decât o fac atomii de hidrogen. Drept urmare, electronii tind să se afle mai aproape de atomul de oxigen decât de oricare dintre cei doi atomi de hidrogen.

Acest lucru face ca molecula, privită în ansamblu, să capete o ușoară sarcină negativă în zona oxigenului și o ușoară sarcină pozitivă în zona hidrogenului. Datorită faptului că sarcinile de semn opus se atrag, aceste mici sarcini electrice interacționează între moleculele învecinate. Interacțiunile respective sunt cunoscute sub numele de legături de hidrogen, deși, din punct de vedere chmic sau structural, nu sunt legături chimice propriu-zise.

În stare lichidă, pe măsură ce moleculele se mișcă, legăturile de hidrogen se formează și se rup în mod constant, permițând moleculelor să alunece una pe lângă cealaltă. Cu toate acestea, pe măsură ce apa se răcește, ea începe să se organizeze într-o structură de tip rețea cristalină. În timp ce moleculele „tind” să formeze legături de hidrogen între sarcinile pozitive și cele negative, respingerea dintre sarcinile identice le împiedică să se apropie prea mult unele de altele.

Rezultatul este o structură ceva mai puțin densă decât apa în stare lichidă, iar acest lucru explică de ce gheața plutește întotdeauna în apă.

Este posibil ca gheața să fie oprită din dilatare?

Apa atinge densitatea maximă la o temperatură de aproximativ 4°C, mai exact 3,98°C, fenomen care reprezintă una dintre anomaliile fizice ale apei și are un impact uriaș asupra mediului înconjurător. Dacă apa este răcită în continuare, ea începe din nou să se dilate, iar odată ce s-a solidificat complet, volumul său va crește în final cu aproximativ 9%.

Este important de reținut că presiunea generată de această dilatare nu este infinită, dar este, cu siguranță, semnificativă. Modulul de elasticitate volumică al gheții este de aproximativ 8,8 x 10⁹ pascali. Asta înseamnă că, în situația în care un recipient este umplut cu apă și apoi sigilat ermetic și lăsat să înghețe, presiunea exercitată asupra pereților acestuia poate ajunge la aproximativ 790 de megapascali, respectiv 8.014,35 kgf/cm².

Practic, este vorba despre aproximativ 7.800 de atmosfere, iar potrivit profesorului Martin Chaplin de la London South Bank University, care este unul dintre cei mai importanți experți în proprietățile acestei substanțe neobișnuite la nivel mondial, nu există nici un material pe Pământ capabil să reziste la asemenea presiuni.

Ar mai îngheța apa dacă nu s-ar putea dilata?

Dacă se introduce apă într-un recipient extrem de rezistent și de rigid și este răcită în continuare, presiunea din interior va începe să crească pe măsură ce tot mai multe molecule adoptă formațiunea de tip rețea cristalină și, implicit, exercită presiune asupra moleculelor rămase încă în stare lichidă. În cazul în care recipientul nu se va sparge, presiunea va crește foarte rapid până când, în cele din urmă, la aproximativ 200 de megapascali, echivalentul a circa 2.000 de atmosfere, atomii încep să se rearanjeze într-o configurație nouă, mai compactă.

Există peste 19 forme cunoscute de gheață care sunt stabile la diferite combinații de temperatură și presiune. De exemplu, gheața obișnuită este denumită gheață Ih, în timp ce cea mai densă dintre variantele formate la presiuni ridicate este gheața III. Într-un recipient închis ermetic, presiunea generată de dilatare va atinge un punct de echilibru, iar apa va îngheța sub forma unui amestec de gheață Ih și gheață III.

Vezi şi cum să foloseşti cuburile de gheaţă pentru întreţinerea tenului!

Abonați-vă la ȘTIRILE ZILEI pentru a fi la curent cu cele mai noi informații.

ABONEAZĂ-TE