تكون عادةً المواد الصلبة أكثر كثافة من السوائل ، لكن لماذا الجليد يطفو على الماء ؟
و ما الذي يجعل شيئاً ما يطفو ؟
سيطفو كل جسم كثافته أقل من كثافة الماء . يمكننا تفسير هذه الظاهر من خلال نظرية تسمى دافعة أرخميدس .
عند وضع شيئاً ما في كوب من الماء، ستشعر بقوة تدفعه أن يطفو نحو الأعلى ضد الجاذبية . و من أجل أن يكون الشيء تحت الماء كلياً أو جزئياً يجب أن يتم إزاحة بعض الماء .
تنص دافعة أرخميدس على أن قوة الطفو الصاعدة التي تدفع الجسم المغمور بالمياه تساوي وزن الماء المزاح .
وزن الجسم= الكتلة×الجاذبية الأرضية
لذلك فإن قوة الطفو الصاعدة نسميها FB للطفو و تساوي كتلة الماء × g .
إن الكثافة هي الكتلة مقسمة على الحجم، و يمكننا أيضاً قول أن الكتلة هي الكثافة مضروبة في الحجم .
إذاً يمكننا القول أن FB قوة الطفو لدينا تساوي كثافة الماء × حجم الماء × g .
من أجل أن يطفو شيء ما ، يجب أن تكون قوة الطفو الصاعدة على الأقل بنفس حجم قوة الجاذبية . إذاً ما الذي يحدد حدوث ذلك؟ يعود الأمر إلى الإدراك الذي جعل أرخميدس يقفز من حمامه صارخاً ” وجدتها ” ، لقد أدرك أن حجم الماء المزاح يساوي حجم الجسم الموجود تحت الماء .
لذلك ، إذا كان حجم الماء مساويًا لحجم الجسم المغمور ، فإن قوة الطفو FB تساوي كثافة الماء x حجم الجسم المغمور× g .
يجب أن تكون قوة الطفو هذه على الأقل بنفس حجم قوة الجاذبية .
ما هي قوة الجاذبية المؤثرة على الجسم؟
هذا ما نسميه وزن الجسم وبالتالي إن وزن الجسم= كتلة الجسم× g.
و يمكننا استخدام نفس الحيلة السابقة ، ونقول إن وزن الجسم ، الذي سنسميه W ، يساوي كثافة الجسم x حجم الجسم المغمور×g .
تعود كل هذه الفيزياء إلى قاعدة بسيطة: الجسم يطفو على الماء إذا كان أقل كثافة .
ما هي المواد الصلبة الأكثر كثافة من السوائل ؟
سوف تطفو المادة الصلبة على السائل إذا كانت أقل كثافة ، ولكن نادراً ما يكون الشكل الصلب للمادة أقل كثافة من السائل .
في المادة الصلبة ، تتراكم الجزيئات معًا بإحكام في نمط متكرر منظم يسمى الشبكة البلورية .
عندما تبدأ في تسخين مادة صلبة ، تكتسب جزيئاتها طاقة وتهتز بقوة أكبر حول مواقعها ، وفي النهاية تكتسب طاقة كافية بحيث لا يمكن الاحتفاظ بها في مكانها ، وتتحرر من الشبكة . ويعتبر هذا السائل: جزيئات حرة في التحرك ، لكنها تبقى قريبة من بعضها بشكل عام .
إذا واصلت تسخين المادة الصلبة ، في النهاية سوف تتحرر الجزيئات من بعضها البعض تمامًا وتشكل غاز .
كما تصبح المادة أقل كثافة في كل مرحلة تمر فيها ويحدث تغييرات بالمادة .
لماذا يعتبر الجليد أقل كثافة من الماء؟
إذا كانت المواد الصلبة أكثر كثافة من السوائل ، لماذا يطفو الجليد على الماء؟ إن للماء حالة خاصة وتتأثر جزيئات الماء بظاهرة تعرف باسم الترابط الهيدروجيني .
إن الماء عبارة عن جزيء على شكل حرف V يتكون من ذرة أوكسجين واحدة في المركز مع ذرة هيدروجين على كل جانب . كما يتم تثبيت الجزيئات معًا بواسطة روابط تساهمية ، وهو ما يحدث عندما تشترك ذرتان في زوج من الإلكترونات .
إن ذرة الأوكسجين تسحب الإلكترونات سالبة الشحنة بقوة أكبر بكثير من ذرات الهيدروجين . لذلك ، تميل الإلكترونات إلى التحرك بالقرب من ذرة الأوكسجين أكثر من ذرات الهيدروجين . و هذا يترك للجزيء شحنة سالبة طفيفة حول نهاية الأوكسجين ، وشحنة موجبة طفيفة حول نهاية الهيدروجين .
و بما أن الأضداد تتجاذب ، فإن الشحنات الطفيفة على الجزيئات المختلفة تتفاعل مع بعضها البعض . و تسمى هذه التفاعلات روابط هيدروجينية .
عندما تتحرك الجزيئات في السائل، تتشكل الروابط الهيدروجينية وتنكسر مرارًا وتكرارًا ، ويمكن للجزيئات أن تنزلق عبر بعضها البعض .
بدون وجود مساحة للتوسع ، هل سيظل الماء يتجمد؟
إذا وضعت الماء في وعاء قوي وصلب للغاية واستمريت في تبريده ، فسيبدأ الضغط في الارتفاع مع اعتماد المزيد من الجزيئات لتشكيل الشبكة وتضغط على الجزيئات المتبقية التي لا تزال في حالة السائل الحر، إذا لم تنكسر الحاوية ، سيرتفع الضغط بسرعة كبيرة حتى تصل الذرات في النهاية إلى حوالي 200 ميغا باسكال و تبدأ الذرات في إعادة الترتيب مرة أخرى لتكوين جديد أكثر إحكاماً .
يوجد 13 نوعًا معروفًا من الجليد مستقرة في درجات حرارة وضغط مختلفين . يُطلق على الجليد العادي اسم ice Ih ، في حين أن النوع الأكثر كثافة هو ice III .
