Всеки от нас е гледал ледени плочи, плаващи по реката през пролетта. Но защо са не се удави? Какво ги задържа на повърхността на водата?
Изглежда, че въпреки теглото им нещо просто не им позволява да паднат. Ще разкрия същността на този мистериозен феномен.
Защо ледът не потъва?
Работата е там, че водата е много необичайно вещество. Има невероятни свойства, които понякога просто не забелязваме.
Както знаете, почти всички неща в света се разширяват при нагряване и се свиват при охлаждане. Това правило важи и за водата, но с една интересна забележка: когато се охлади от +4°C до 0°C, водата започва да се разширява. Това обяснява ниската плътност на ледените маси. Разширено от явлението по-горе, водата става по-лек от този, в който се намира, и започва да се носи по повърхността му.
Колко опасен е този лед?
Описаното по-горе явление често се среща в природата и ежедневието. Но ако започнете да забравяте за него, той може да се превърне в източник на много проблеми. Например:
- през зимата замръзналата вода може спукани водопроводни тръби;
- същата вода, замръзваща в планински пукнатини, допринася за разрушаване на скали, причиняващи планински падания;
- не трябва да забравяме източете водата от радиатора на автомобилаза да избегнете горните ситуации.
Но има и положителни страни. В крайна сметка, ако водата нямаше такива невероятни свойства, тогава нямаше да има такъв спорт като кънки. Под тежестта на тялото на човек, острието на кънката оказва толкова голям натиск върху леда, че той просто се топи, създавайки воден филм, идеален за плъзгане.
Вода в океанските дълбини
Друг интересен момент е, че дори въпреки нулевата температура в океанските (или морските) дълбини, водата там не замръзва, не се превръща в леден блок. Защо се случва това? Всичко е за налягане, което се упражнява от горните водни слоеве.
Като цяло налягането помага за втвърдяването на различни течности. Предизвиква намаляване на обема на тялото, като значително улеснява преминаването му в твърдо състояние. Но когато водата замръзне, тя не намалява обема си, а напротив, увеличава се. И следователно налягането, предотвратяващо разширяването на водата, понижава точката си на замръзване.
Това е всичко, което мога да ви кажа за този интересен феномен. Надявам се, че сте научили нещо ново. Успех в пътуванията!
Общинска образователна автономна институция
средно училище с. Василевки
Проучване
Защо ледът не потъва във вода?
Ученици от 3 "б" клас
Белогубова София
Ръководител: Клименко
Людмила Сергеевна,
учителазквалификация
Съдържанието на произведението.
1. Въведение……………………………………………………………. 3
2. Основна част:……………………………………………………...4-6
2.1. Защо предметите плават?................................................. ........
2.2. Древногръцкият учен Архимед……………………………………
2.3. Законът на Архимед………………………………………………………….
2.4. Експерименти…………………………………………………………..
2.5. Важна характеристика на водата………………………………………………………...
3. Заключение………………………………………………………….7
4. Препратки………………………………………………………………8
5. Приложения…………………………………………………………9-10
Въведение.
Не гори в огън
Не потъва във вода.
Уместност на темата
Защо някои вещества потъват във вода, а други не? Разбирането на законите на плаваемостта позволява на инженерите да изграждат кораби от метали, които плават и не потъват.
Никой не се съмнява, че ледът плава по водата; всеки е виждал това стотици пъти както на езерото, така и на реката.
Но защо се случва това?
Какви други предмети могат да плуват по водата?
Това реших да разбера.
Постави си цел:
Определете причините за непотопяемостта на леда.
Идентифицирах няколко задачи:
Разберете условията на плаване на телата;
Разберете защо ледът не потъва;
Проведете експеримент за изследване на плаваемостта.
Тя изложи хипотеза:
Може би ледът не потъва, защото водата е по-плътна от леда.
Изследователски методи:
Теоретичен анализ на литературата;
Метод на наблюдение;
Практически метод.
Практическите материали ще ми бъдат полезни в уроците по четене и околния свят.
Главна част
Ако потопите тяло във вода, то ще измести малко вода. Тялото заема мястото, където е била водата, и нивото на водата се покачва.
Според легендата древногръцкият учен Архимед (287 - 212 г. пр. н. е.), докато бил във ваната, предположил, че потопено тяло измества равен обем вода. Средновековна гравюра изобразява Архимед, който прави откритието си (Вижте Приложение 1)
Силата, с която водата избутва потопено в нея тяло, се нарича сила на плаваемост.
Законът на Архимед гласи, че подемната сила е равна на теглото на течността, изместена от тялото, потопено в нея. Ако подемната сила е по-малка от теглото на тялото, то потъва, ако е равна на теглото на тялото, то плава.
Експеримент № 1 (вижте Приложение 1)
Реших да видя как работи силата на плаваемост, отбелязах нивото на водата и спуснах пластилинова топка с еластична лента в съд с вода. След гмуркане нивото на водата се повиши и дължината на ластика намаля. Отбелязах новото ниво на водата с флумастер.
Извод: От страната на водата върху пластилиновата топка е действала сила, насочена нагоре. Следователно дължината на еластичната лента е намаляла, т.е. топката, потопена във вода, стана по-лека.
След това тя оформи лодка от същия пластилин и внимателно я спусна във водата. Както можете да видите, водата се е повишила още повече. Лодката е изместила повече вода от топката, което означава, че плаваемата сила е по-голяма.
Магията се случи, потъващият материал изплува на повърхността! Хей Архимед!
За да не потъне едно тяло, неговата плътност трябва да е по-малка от плътността на водата.
Не знаете какво е плътност? Това е масата на хомогенно вещество на единица обем.
Експеримент № 2: (вижте Приложение 2)
Тя наля вода в чаша и я остави навън. Когато водата замръзна, стъклото се спука. Сложих образувалия се лед в съд със студена вода и видях, че плува.
В друг съд посолете добре водата и разбъркайте, докато се разтвори напълно. Взех лед и повторих експеримента. Ледът плува и дори по-добре, отколкото в прясна вода, почти наполовина стърчащ от водата.
Всичко е ясно! Кубчето лед плава, защото когато замръзне, ледът се разширява и става по-лек от водата. Плътността на обикновената течна вода е малко по-голяма от плътността на замръзналата вода, тоест леда. С увеличаване на плътността на течността, плаващата сила се увеличава.
Научни факти:
1 факт Архимед: всяко тяло, потопено в течност, е подложено на подемна сила.
Факт 2 Михаил Ломоносов:
Ледът не потъва, защото е с плътност 920 кг/куб.м. А водата, която е по-плътна е 1000 кг/куб.м.
Заключение:
Открих 2 причини за непотопяемостта на леда:
всяко тяло, потопено във вода, е подложено на подемна сила;
Плътността на леда е по-малка от плътността на всяка вода.
Нека се опитаме да си представим как би изглеждал светът, ако водата имаше нормални свойства и ледът беше, както би трябвало да бъде всяко нормално вещество, по-плътен от течната вода. През зимата по-плътният лед, замръзнал отгоре, би потънал във водата, непрекъснато потъвайки към дъното на резервоара. През лятото ледът, защитен от слой студена вода, не можеше да се стопи.
Постепенно всички езера, езера, реки, потоци ще замръзнат напълно, превръщайки се в гигантски блокове лед. Накрая моретата ще замръзнат, последвани от океаните. Нашият красив цъфтящ зелен свят ще стане
непрекъсната ледена пустиня, на места покрита с тънък слой стопена вода. Едно от тези уникални свойства на водата е способността й да се разширява при замръзване. В крайна сметка, когато всички вещества замръзват, тоест по време на прехода от течно към твърдо състояние, те се компресират, но водата, напротив, се разширява. Обемът му се увеличава с 9%. Но когато на повърхността на водата се образува лед, той, намирайки се между студения въздух и водата, предотвратява по-нататъшното охлаждане и замръзване на водните тела. Това необичайно свойство на водата, между другото, е важно и за формирането на почвата в планините. Попадайки в малки пукнатини, които винаги се срещат в камъните, дъждовната вода се разширява при замръзване и разрушава камъка. Така постепенно каменната повърхност става способна да приюти растения, които с корените си завършват този процес на разрушаване на камъните и водят до образуването на почва по планинските склонове.
Ледът винаги е на повърхността на водата и служи като истински топлоизолатор. Тоест водата отдолу не се охлажда толкова много, леденото покритие надеждно го предпазва от замръзване. Ето защо през зимата рядко се случва водно тяло да замръзне до дъното, въпреки че това е възможно при екстремни температури на въздуха.
Внезапното увеличаване на обема, когато водата се превръща в лед, е важна характеристика на водата. Тази характеристика често трябва да се взема предвид в практическия живот. Ако оставите буре с вода на студено, водата ще замръзне и бурето ще се спука. По същата причина не трябва да оставяте вода в радиатора на кола, паркирана в студен гараж. При силни студове трябва да внимавате за най-малкото прекъсване на подаването на топла вода през тръбите за отопление на водата: водата, която е спряла във външната тръба, може бързо да замръзне и след това тръбата ще се спука.
Да, дънерът, колкото и голям да е, не потъва във вода. Тайната на това явление е, че плътността на дървото е по-малка от плътността на водата.
Заключение.
И така, след като свърших много работа, разбрах. Моята хипотеза защо ледът не потъва беше потвърдена.
Причини за непотопяемостта на леда:
1. Ледът се състои от водни кристали с въздух между тях. Следователно плътността на леда е по-малка от плътността на водата.
2. Подемна сила действа върху леда от страната на водата.
Ако водата беше нормална течност, а не уникална течност, нямаше да се наслаждаваме на кънки. Не се търкаляме по стъкло, нали? Но е много по-гладка и по-привлекателна от леда. Но стъклото е материал, върху който кънките няма да се плъзгат. Но на лед, дори и да не е с много добро качество, пързалянето е удоволствие. Ще попитате защо? Факт е, че тежестта на тялото ни притиска много тънкото острие на кънката, което упражнява силен натиск върху леда. В резултат на този натиск от кънката, ледът започва да се топи, образувайки тънък воден слой, върху който кънката се плъзга перфектно.
Библиография
Детска енциклопедия "Аз изследвам света."
Зедлаг У. „Удивителни неща на планетата Земя.“
Интернет ресурси.
Рахманов А. И. „Феномени на природата“.
Енциклопедия "Природен свят".
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Ким Ирина, ученичка от 4 клас
Изследователска работа на тема „Защо ледът не потъва?“
Изтегли:
Преглед:
Общинска държавна образователна институция "Средно училище Красноярск"
Проучване
Изпълнено:
Ким Ирина,
Ученик от 4 клас.
Ръководител:
Иванова Елена Владимировна,
начален учител.
с. Красни Яр 2013
1. Въведение.
2. Основна част:
Защо предметите плават?
Древногръцкият учен Архимед.
Закон на Архимед.
Експерименти.
Важна характеристика на водата.
3. Заключение.
4. Списък с литература.
5. Приложения.
Въведение.
Защо някои вещества потъват във вода, а други не? И защо има толкова малко вещества, които могат да се носят във въздуха (т.е. да летят)? Разбирането на законите на плаваемостта (и потъването) позволява на инженерите да изграждат кораби от метали, които са по-тежки от водата, и да проектират дирижабли и балони, които могат да се носят във въздуха. Спасителната жилетка се надува с въздух, така че помага на човек да остане във водата.
Никой не се съмнява, че ледът плава по водата; всеки е виждал това стотици пъти както на езерото, така и на реката. Но защо се случва това? Какви други предмети могат да плуват по водата? Това реших да разбера.
Мишена:
Определяне на причините за непотопяемостта на леда.
Задачи:
1. Разберете условията на плаване на телата.
2. Разберете защо ледът не потъва.
3. Проведете експеримент за изследване на плаваемостта.
Хипотеза:
Може би ледът не потъва, защото водата е по-плътна от леда.
Главна част:
Защо предметите плават?
Ако потопите тяло във вода, то ще измести малко вода. Тялото заема мястото, където е била водата, и нивото на водата се покачва.
Според легендата древногръцкият учен Архимед (287 - 212 г. пр. н. е.), докато бил във ваната, предположил, че потопено тяло измества равен обем вода. Средновековна гравюра изобразява Архимед, който прави своето откритие. (вижте Приложение 1)
Силата, с която водата избутва потопено в нея тяло, се нарича сила на плаваемост.
Законът на Архимед гласи, че подемната сила е равна на теглото на течността, изместена от тялото, потопено в нея. Ако подемната сила е по-малка от теглото на тялото, то потъва, ако е равна на теглото на тялото, то плава.
Експеримент №1 :(вижте Приложение 2)
Реших да видя как работи силата на плаваемост, отбелязах нивото на водата и спуснах пластилинова топка с еластична лента в съд с вода. След гмуркане нивото на водата се повиши и дължината на ластика намаля. Отбелязах новото ниво на водата с флумастер.
Извод: От страната на водата върху пластилиновата топка е действала сила, насочена нагоре. Следователно дължината на еластичната лента е намаляла, т.е. топката, потопена във вода, стана по-лека.
След това тя оформи лодка от същия пластилин и внимателно я спусна във водата. Както можете да видите, водата се е повишила още повече. Лодката е изместила повече вода от топката, което означава, че плаваемата сила е по-голяма.
Магията се случи, потъващият материал изплува на повърхността! Хей Архимед!
За да не потъне едно тяло, неговата плътност трябва да е по-малка от плътността на водата.
Не знаете какво е плътност? Това е масата на хомогенно вещество на единица обем.
Експеримент № 2: „Зависимост на плаващата сила от плътността на водата“(вижте Приложение 3)
Взех: чаша чиста вода (не пълна), едно сурово яйце и сол.
Поставете яйце в чаша; ако яйцето е прясно, то ще потъне на дъното. След това тя започна внимателно да изсипва сол в чашата и видя как яйцето започна да плува.
Заключение: С увеличаването на плътността на течността силата на плаваемост се увеличава.
В яйцето има въздушен джоб и когато плътността на течността се промени, яйцето изплува на повърхността като подводница.
По-рано, преди изобретяването на хладилниците, нашите предци са проверявали дали едно яйце е прясно или не: пресните яйца потъват в чиста вода, а развалените яйца плуват, тъй като вътре в тях се образува газ.
Експеримент № 3 „Плаващ лимон“(вижте Приложение 4)
Напълних един съд с вода и сложих един лимон. Лимон плува. И тогава тя го обели и го върна обратно във водата. Лимон се удави.
Заключение: лимонът потъна, защото плътността му се увеличи. Кората на лимона е по-малко плътна от вътрешността й и съдържа много въздушни частици, които помагат на лимона да остане на повърхността на водата.
Експеримент № 4 (вижте Приложение 5)
1. Налях вода в чаша и я сложих навън. Когато водата замръзна, стъклото се спука. Сложих образувалия се лед в съд със студена вода и видях, че плува.
2. В друг съд посолете добре водата и разбъркайте, докато се разтвори напълно. Взех лед и повторих експеримента. Ледът плува и дори по-добре, отколкото в прясна вода, почти наполовина стърчащ от водата.
Всичко е ясно! Кубчето лед плава, защото когато замръзне, ледът се разширява и става по-лек от водата. Плътността на обикновената течна вода е малко по-голяма от плътността на замръзналата вода, тоест леда.С увеличаването на плътността на течността силата на плаваемост се увеличава.
Научни факти:
1 факт Архимед: всяко тяло, потопено в течност, е подложено на подемна сила.
Факт 2 Михаил Ломоносов:
Ледът не потъва, защото е с плътност 920 кг/куб.м. А водата, която е по-плътна е 1000 кг/куб.м.
Заключение:
Открих 2 причини за непотопяемостта на леда:
- Всяко тяло, потопено във вода, е подложено на подемна сила.
- Плътността на леда е по-малка от плътността на всяка вода.
Нека се опитаме да си представим как би изглеждал светът, ако водата имаше нормални свойства и ледът беше, както би трябвало да бъде всяко нормално вещество, по-плътен от течната вода.
През зимата по-плътният лед, замръзнал отгоре, би потънал във водата, непрекъснато потъвайки към дъното на резервоара. През лятото ледът, защитен от слой студена вода, не можеше да се стопи.
Постепенно всички езера, езера, реки, потоци ще замръзнат напълно, превръщайки се в гигантски блокове лед. Накрая моретата ще замръзнат, последвани от океаните. Нашият красив, цъфтящ зелен свят би се превърнал в непрекъсната ледена пустиня, покрита на места с тънък слой стопена вода.Едно от уникалните свойства на водата е способността й да се разширява при замръзване. В крайна сметка, когато всички вещества замръзват, тоест по време на прехода от течно към твърдо състояние, те се компресират, но водата, напротив, се разширява. Обемът му се увеличава с 9%. Но когато на повърхността на водата се образува лед, той, намирайки се между студения въздух и водата, предотвратява по-нататъшното охлаждане и замръзване на водните тела. Това необичайно свойство на водата, между другото, е важно и за формирането на почвата в планините. Попадайки в малки пукнатини, които винаги се срещат в камъните, дъждовната вода се разширява при замръзване и разрушава камъка. Така постепенно каменната повърхност става способна да приюти растения, които с корените си завършват този процес на разрушаване на камъните и водят до образуването на почва по планинските склонове.
Ледът винаги е на повърхността на водата и служи като истински топлоизолатор. Тоест водата отдолу не се охлажда толкова много, леденото покритие надеждно го предпазва от замръзване. Ето защо през зимата рядко се случва водно тяло да замръзне до дъното, въпреки че това е възможно при екстремни температури на въздуха.
Внезапното увеличаване на обема, когато водата се превръща в лед, е важна характеристика на водата. Тази характеристика често трябва да се взема предвид в практическия живот. Ако оставите буре с вода на студено, водата ще замръзне и бурето ще се спука. По същата причина не трябва да оставяте вода в радиатора на кола, паркирана в студен гараж. При силни студове трябва да внимавате за най-малкото прекъсване на подаването на топла вода през тръбите за отопление на водата: водата, която е спряла във външната тръба, може бързо да замръзне и след това тръбата ще се спука.
Да, дънерът, колкото и голям да е, не потъва във вода. Тайната на това явление е, че плътността на дървото е по-малка от плътността на водата.
Между другото...
Има дървета, които се давят във вода! Причината за това е, че тяхната плътност е по-голяма от плътността на водата. Тези дървета се наричат "железни" дървета. „Железните дървета“ включват, например, персийска пароция, азобе (африканско тропическо желязно дърво), амазонско дърво, абанос, палисандрово дърво или розово дърво, кумару и други. Всички тези дървета имат много твърда и плътна дървесина, богата на масла; кората на тези дървета е устойчива на гниене. Следователно лодка, изработена от такова дърво, веднага ще потъне на дъното, но „железните дървета“ са отличен материал за производство на мебели.
В моретата и океаните понякога има огромни ледени планини - айсберги. Това са ледници, които са се свлекли от полярните планини и са отнесени от течението и вятъра в открито море. Височината им може да достигне 200 метра, а обемът им може да достигне няколко милиона кубически метра. Девет десети от общата маса на айсберга е скрита под водата. Следователно срещата с него е много опасна. Ако корабът не забележи движещия се леден гигант навреме, той може да претърпи сериозни щети или дори да загине при сблъсък.
Ориз. 4. Девет десети от масата на айсберга е под вода.
Въпреки че корабът е железен, много тежък и дори превозва хора и товари, той не потъва. Защо? Но цялата работа е, че в кораба, в допълнение към екипажа, пътниците и товара, има въздух. А въздухът е много по-лек от водата. Корабът е проектиран по такъв начин, че вътре в него има малко пространство, пълно с въздух. Именно тя поддържа кораба на повърхността на водата и го предпазва от потъване.
Подводници
Подводниците потъват и изплуват, променяйки относителната си плътност. На борда си имат големи контейнери – баластни танкове. Когато въздухът ги напусне и водата се изпомпва, плътността на лодката се увеличава и тя потъва. За да изплува на повърхността, екипажът изважда вода от резервоарите и изпомпва въздух в нея. Плътността отново намалява и лодката изплува на повърхността. Баластните цистерни са разположени между външния корпус и стените на вътрешния отсек. Екипажът живее и работи във вътрешното отделение. Подводницата е оборудвана с мощни витла, които й позволяват да се движи през водата. Някои лодки имат ядрени реактори.
Заключение.
И така, след като свърших много работа, разбрах. Моята хипотеза защо ледът не потъва беше потвърдена.
Причини за непотопяемостлед:
1. Ледът се състои от водни кристали с въздух между тях. Следователно плътността на леда е по-малка от плътността на водата.
2. Подемна сила действа върху леда от страната на водата.
Ако водата беше нормална течност, а не уникална течност, нямаше да се наслаждаваме на кънки. Не се търкаляме по стъкло, нали? Но е много по-гладка и по-привлекателна от леда. Но стъклото е материал, върху който кънките няма да се плъзгат. Но на лед, дори и да не е с много добро качество, пързалянето е удоволствие. Ще попитате защо? Факт е, че тежестта на тялото ни притиска много тънкото острие на кънката, което упражнява силен натиск върху леда. В резултат на този натиск от кънката, ледът започва да се топи, образувайки тънък воден слой, върху който кънката се плъзга перфектно.
Приложение
Приложение 1
Малките деца много често задават интересни въпроси на възрастните и не винаги могат да им отговорят веднага. За да не изглеждате глупаво на вашето дете, препоръчваме ви да се запознаете с пълен и подробен, добре обоснован отговор относно плаваемостта на леда. В края на краищата той плува, а не се дави. Защо се случва това?
Как да обясним на детето сложни физически процеси?
Първото нещо, което идва на ум, е плътността. Да, всъщност ледът плава, защото е по-малко плътен от . Но как да обясним на детето какво е плътност? Никой не е длъжен да му казва училищната програма, но е напълно възможно всичко да се сведе до това, което е. В края на краищата всъщност един и същ обем вода и лед има различни тегла. Ако проучим проблема по-подробно, можем да изразим няколко други причини освен плътността.
не само защото намалената му плътност не му позволява да потъне по-ниско. Причината също е, че в леда са замръзнали малки въздушни мехурчета. Те също така намаляват плътността и следователно като цяло се оказва, че теглото на ледената плоча става още по-малко. Когато ледът се разширява, той не поема повече въздух, но всички онези мехурчета, които вече са вътре в този слой, остават там, докато ледът започне да се топи или сублимира.
Провеждане на експеримент върху силата на разширяване на водата
Но как можете да докажете, че ледът действително се разширява? В крайна сметка водата също може да се разширява, така че как може да се докаже това при изкуствени условия? Можете да проведете интересен и много прост експеримент. За да направите това, ще ви трябва пластмасова или картонена чаша и вода. Не е необходимо количеството да е голямо, не е нужно да пълните чашата догоре. Освен това в идеалния случай се нуждаете от температура от около -8 градуса или по-ниска. Ако температурата е твърде висока, преживяването ще продължи неоправдано дълго.
И така, водата се излива вътре, трябва да изчакаме да се образува лед. Тъй като сме избрали оптималната температура, при която малък обем течност ще се превърне в лед в рамките на два до три часа, можете спокойно да се приберете вкъщи и да изчакате. Трябва да изчакате, докато цялата вода се превърне в лед. След известно време гледаме резултата. Деформирана или скъсана от лед чаша е гарантирана. При по-ниска температура ефектите изглеждат по-впечатляващи, а самият експеримент отнема по-малко време.
Отрицателни последици
Оказва се, че един прост експеримент потвърждава, че ледените блокове наистина се разширяват, когато температурата намалява, а обемът на водата лесно се увеличава при замръзване. По правило тази функция създава много проблеми на забравителните хора: бутилка шампанско, оставена на балкона за дълго време в новогодишната нощ, се счупва поради излагане на лед. Тъй като силата на разширяване е много голяма, тя не може да бъде повлияна по никакъв начин. Е, що се отнася до плаваемостта на ледените блокове, тук няма какво да се доказва. Най-любопитните могат лесно да проведат подобен експеримент през пролетта или есента сами, опитвайки се да удавят парчета лед в голяма локва.
Изобщо не се изненадваме от плаващи ледени блокове в началото на пролетта, когато резервоарите започват да се освобождават от зимните „дрехи“ и разкриват красотата на прясната вода на човешкото око. Толкова сме свикнали с този природен феномен, че дори не мислим за него и се чудим защо ледът не се топи? И ако се замислите, не си спомняте веднага примери, при които твърди вещества като лед плуват в течности, които се образуват, когато се стопят. Можете да разтопите парафин или восък в съд и да хвърлите парче от същото вещество, само в твърдо състояние, в получената локва. И какво виждаме? Восъкът и парафинът безопасно потъват в течността, която се образува в резултат на тяхното топене.
Защо ледът не потъва във вода?Факт е, че водата в този пример е много рядко и по своята същност уникално изключение. В природата само металът и чугунът се държат подобно на парче лед, плаващо на повърхността на водата.
Ако ледът беше по-тежък от водата, той със сигурност щеше да потъне под собствената си тежест и в същото време да измести водата, намираща се в долната част на резервоара, към повърхността. В резултат на това целият резервоар ще замръзне до дъното! Когато обаче водата замръзне, възниква съвсем различна ситуация. Превръщането на водата в лед увеличава нейния обем с приблизително 10% и е в този момент ледът има по-малка плътност от самата вода. Именно поради тази причина ледът плува по повърхността на водата и не потъва. Същото може да се наблюдава, когато върху водата се спусне хартиена лодка, чиято плътност е много пъти по-малка от плътността на водата. Ако лодката беше направена от дърво или друг материал, със сигурност щеше да потъне. Ако сравним показателите за плътност в числа, тогава, например, ако плътността на водата е една, тогава плътността на леда ще бъде равна на 0,91.
Увеличаването на обема на водата, когато се превръща в лед, трябва да се вземе предвид в ежедневието. Достатъчно е да оставите буре, пълно с вода до горе, на студено и течността ще замръзне и ще пръсне съда. Ето защо не се препоръчва да оставяте вода в радиатора на автомобил, който е паркиран на студено. Също така, при тежки студове, трябва да внимавате за прекъсвания в подаването на топла вода, преминаваща през отоплителните тръби. Ако във външната тръба остане вода, тя моментално ще замръзне, което неминуемо ще доведе до повреда на водопровода.
Както е известно, в океаните и моретата на големи дълбочини, където температурата е под нулата, водата все още не замръзва и не се превръща в блок лед. Това е доста просто за обяснение - горните слоеве вода създават огромно налягане. Например един километър слой вода притиска със сила повече от сто атмосфери.
Ако водата беше нормална течност, а не уникална течност, нямаше да се наслаждаваме на кънки. Не се търкаляме по стъкло, нали? Но е много по-гладка и по-привлекателна от леда. Но стъклото е материал, върху който кънките няма да се плъзгат. Но на лед, дори и да не е с много добро качество, пързалянето е удоволствие. Ще попитате защо? Факт е, че тежестта на тялото ни притиска много тънкото острие на скейта, което оказва силен натиск върху лед. В резултат на този натиск от кънката, ледът започва да се топи, образувайки тънък воден слой, върху който кънката се плъзга перфектно.
Как да обясним на детето сложни физически процеси?
Първото нещо, което идва на ум, е плътността. Да, всъщност ледът плава, защото е по-малко плътен от водата. Но как да обясним на детето какво е плътност? Никой не е длъжен да му казва училищната програма, но е напълно възможно да се сведе до факта, че ледът е по-лесен. В края на краищата всъщност един и същ обем вода и лед има различни тегла. Ако проучим проблема по-подробно, можем да изразим няколко други причини освен плътността.
Ледът не потъва във водата не само защото намалената му плътност не му позволява да потъва по-ниско. Причината също е, че в леда са замръзнали малки въздушни мехурчета. Те също така намаляват плътността и следователно като цяло се оказва, че теглото на ледената плоча става още по-малко. Когато ледът се разширява, той не поема повече въздух, но всички онези мехурчета, които вече са вътре в този слой, остават там, докато ледът започне да се топи или сублимира.
Провеждане на експеримент върху силата на разширяване на водата
Но как можете да докажете, че ледът действително се разширява? В крайна сметка водата също може да се разширява, така че как може да се докаже това при изкуствени условия? Можете да проведете интересен и много прост експеримент. За да направите това, ще ви трябва пластмасова или картонена чаша и вода. Не е необходимо количеството да е голямо, не е нужно да пълните чашата догоре. Освен това в идеалния случай се нуждаете от температура от около -8 градуса или по-ниска. Ако температурата е твърде висока, преживяването ще продължи неоправдано дълго.
И така, водата се излива вътре, трябва да изчакаме да се образува лед. Тъй като сме избрали оптималната температура, при която малък обем течност ще се превърне в лед в рамките на два до три часа, можете спокойно да се приберете вкъщи и да изчакате. Трябва да изчакате, докато цялата вода се превърне в лед. След известно време гледаме резултата. Деформирана или скъсана от лед чаша е гарантирана. При по-ниска температура ефектите изглеждат по-впечатляващи, а самият експеримент отнема по-малко време.
Отрицателни последици
Оказва се, че един прост експеримент потвърждава, че ледените блокове наистина се разширяват, когато температурата намалява, а обемът на водата лесно се увеличава при замръзване. По правило тази функция създава много проблеми на забравителните хора: бутилка шампанско, оставена на балкона за дълго време в новогодишната нощ, се счупва поради излагане на лед. Тъй като силата на разширяване е много голяма, тя не може да бъде повлияна по никакъв начин. Е, що се отнася до плаваемостта на ледените блокове, тук няма какво да се доказва. Най-любопитните могат лесно да проведат подобен експеримент през пролетта или есента сами, опитвайки се да удавят парчета лед в голяма локва.
Никой не се съмнява, че ледът плава по водата; всеки е виждал това стотици пъти както на езерото, така и на реката.
Но колко хора са се замисляли над този въпрос: дали всички твърди вещества се държат по същия начин като леда, тоест плуват в течностите, образувани при топенето им?
Разтопете парафин или восък в буркан и хвърлете друго парче от същото твърдо вещество в тази течност, веднага ще потъне. Същото ще се случи и с оловото, и с калая, и с много други вещества. Оказва се, че по правило твърдите вещества винаги потъват в течности, които се образуват при топенето им.
Боравейки най-често с вода, ние сме толкова свикнали с обратното явление, че често забравяме това свойство, характерно за всички други вещества. Трябва да се помни, че водата е рядко изключение в това отношение. Само металът бисмут и чугунът се държат по същия начин като водата.
Ако ледът беше по-тежък от водата и не се задържаше на повърхността си, а потъваше, тогава дори в дълбоки водоеми водата би замръзнала напълно през зимата. Всъщност ледът, падащ на дъното на езерото, би изместил долните слоеве вода нагоре и това ще се случи, докато цялата вода се превърне в лед.
Когато обаче водата замръзне, се случва обратното. В момента, в който водата се превърне в лед, нейният обем внезапно се увеличава с около 10 процента, което прави леда по-малко плътен от водата. Ето защо той плува във вода, както всяко тяло плува в течност с висока плътност: железен пирон в живак, тапа в масло и т.н. Ако приемем плътността на водата за равна на единица, тогава плътността на лед ще бъде само 0,91. Тази цифра ни позволява да разберем дебелината на ледения къс, който се носи по водата. Ако височината на ледения къс над водата е например 2 сантиметра, тогава можем да заключим, че подводният слой на ледения къс е 9 пъти по-дебел, тоест равен на 18 сантиметра, а целият леден къс е 20 сантиметри дебелина.
В моретата и океаните понякога има огромни ледени планини - айсберги (фиг. 4). Това са ледници, които са се свлекли от полярните планини и са отнесени от течението и вятъра в открито море. Височината им може да достигне 200 метра, а обемът им може да достигне няколко милиона кубически метра. Девет десети от общата маса на айсберга е скрита под водата. Следователно срещата с него е много опасна. Ако корабът не забележи движещия се леден гигант навреме, той може да претърпи сериозни щети или дори да загине при сблъсък.
Внезапното увеличаване на обема по време на прехода на течна вода в лед е важна характеристика на водата. Тази характеристика често трябва да се взема предвид в практическия живот. Ако оставите буре с вода на студено, водата ще замръзне и бурето ще се спука. По същата причина не трябва да оставяте вода в радиатора на кола, паркирана в студен гараж. При силни студове трябва да внимавате за най-малкото прекъсване на подаването на топла вода през тръбите за отопление на водата: водата, която е спряла във външната тръба, може бързо да замръзне и след това тръбата ще се спука.
Замръзвайки в скални пукнатини, водата често причинява планински срутвания.
Нека сега разгледаме един експеримент, който е пряко свързан с разширяването на водата при нагряване. Постановката на този експеримент изисква специално оборудване и е малко вероятно някой читател да може да го възпроизведе у дома. Да, това не е необходимост; Опитът е лесен за представяне и ние ще се опитаме да потвърдим резултатите от него с примери, които са познати на всички.
Нека вземем много здрав метал, за предпочитане стоманен цилиндър (фиг. 5), изсипете малко капки в дъното, напълнете го с вода, закрепете капака с болтове и започнете да завъртате винта. Тъй като водата се компресира много малко, няма да се налага да въртите винта дълго време. Само след няколко оборота налягането в цилиндъра се повишава до стотици атмосфери. Ако сега охладите цилиндъра дори до 2-3 градуса под нулата, водата в него няма да замръзне. Но как можете да сте сигурни в това? Ако отворим цилиндъра, тогава при тази температура и атмосферно налягане водата моментално ще се превърне в лед и няма да знаем дали е била течна или твърда, когато е била под налягане. Тук ще ни помогнат поръсените пелети. Когато цилиндърът се охлади, обърнете го с главата надолу. Ако водата е замръзнала, сачмата ще лежи на дъното, ако не е замръзнала, сачмата ще се събере на капака. Нека развием винта. Налягането ще падне и водата определено ще замръзне. След като свалим капака, се уверяваме, че цялата сачма се е събрала близо до капака. Това означава, че водата под налягане не е замръзнала при температури под нулата.
Опитът показва, че точката на замръзване на водата намалява с увеличаване на налягането с приблизително един градус на всеки 130 атмосфери.
Ако започнем да базираме разсъжденията си на базата на наблюдения на много други вещества, ще трябва да стигнем до обратното заключение. Налягането обикновено помага на течностите да се втвърдят: под налягане течностите замръзват при по-висока температура и това не е изненадващо, ако си спомните, че повечето вещества намаляват обема си, когато се втвърдят. Налягането води до намаляване на обема и това улеснява преминаването на течно състояние в твърдо състояние. Когато водата се втвърдява, както вече знаем, тя не намалява обема си, а напротив, разширява се. Следователно налягането, предотвратяващо разширяването на водата, понижава нейната точка на замръзване.
Известно е, че в океаните на големи дълбочини температурата на водата е под нула градуса и въпреки това водата на тези дълбочини не замръзва. Това се обяснява с налягането, създадено от горните слоеве вода. Слой вода с дебелина един километър притиска със сила около сто атмосфери.
Ако водата беше нормална течност, едва ли щяхме да изпитаме удоволствието да се пързаляме върху лед. Би било същото като да се търкаляте върху идеално гладко стъкло. Кънките не се плъзгат по стъкло. Съвсем различен е въпросът на леда. Карането на кънки на лед е много лесно. Защо? Под тежестта на нашето тяло тънкото острие на кънката произвежда доста силен натиск върху леда и ледът под кънка се топи; образува се тънък воден слой, който служи като отличен лубрикант.
