Dado que el hielo es menos denso que el agua, ¿por qué no se asienta completamente sobre el agua (en lugar de sumergirlo ligeramente)?

P.ej

  1. Si tuviéramos un bote de canicas u otra cosa de diferentes densidades y lo sacudiéramos, las más densas irían al fondo y las menos densas a la parte superior. ingrese la descripción de la imagen aquí( Fuente de la imagen )
  2. Si pongo un cubo de plomo en agua, se hundirá hasta el fondo.

Pero para el hielo: lo que estoy tratando de entender es por qué el agua (siendo más densa que el hielo) no busca llegar al fondo, y el hielo se sienta plano encima (como en la imagen de la izquierda). En cambio, una parte del hielo se sumerge en el agua (como en la imagen de la derecha) y otra se asienta encima.

hielo y agua

Hola Alfredo. Entonces, ¿la única diferencia entre la imagen superior y la imagen inferior derecha es que en la imagen inferior derecha el hielo es sólido y, por lo tanto, no puede expandirse hacia los lados del contenedor? Pero en la imagen del tema, ¿el líquido rojo puede hacer eso y, por lo tanto, flotar completamente en la parte superior?
Sí, los líquidos se depositan en niveles equipotenciales y se dispersan hasta el límite sólido del contenedor. Se estratifican según la densidad.
Una "burbuja" de un líquido más ligero actúa como un cubo de hielo, presionando en el medio más que la superficie del agua. Pero luego el líquido se esparce y llega a los lados del recipiente. En este punto, ha empujado hacia abajo toda el agua debajo de él y tiene la misma altura en todos los puntos.
Si coloca los diversos líquidos en pequeñas bolsas de plástico, se comportarían como hielo.
No solo está ligeramente sumergido. Más como el 90% está bajo el agua. Véase flotabilidad.
eres menos denso que el agua tú mismo. Sin embargo, no caminas sobre el agua.
Pedantemente, algo más del 50% estaría sumergido en su mayor parte . Me sorprendería mucho ver hielo que solo estaba ligeramente sumergido.
Además, cuando lanzas un barco, el barco no "se parará" con la quilla en la superficie del agua.

Respuestas (8)

Cuando se pone en agua, un objeto se hunde hasta el punto en que el volumen de agua que desplaza tiene el mismo peso que el objeto. Arquímedes fue quien descubrió esto.

Cuando pones plomo en el agua, el peso del plomo es mucho mayor que el del mismo volumen de agua. Por lo tanto, se hunde hasta el fondo. Como el hielo solo pesa alrededor del 90% de su volumen de agua, el 90% del hielo estará bajo el agua, el resto arriba. La cifra real es 91,7%, dada por las gravedades específicas del agua (0,9998) y el hielo (0,9168) a 0C.

En realidad, en el caso del plomo, si el agua fuera lo suficientemente profunda, el plomo se hundiría hasta el punto en que su peso sería igual al del agua bajo presión en las profundidades. Como el plomo se comprimirá tan bien como el agua, es posible que eso nunca suceda, pero para otros objetos y/o fluidos podría suceder.

Esta es también la razón por la que los globos llenos de helio flotan: su peso es menor que el del mismo volumen de aire. A medida que flotan, el globo se expande, mientras que el aire se vuelve más escaso y, por lo tanto, más ligero. A cierta altura los dos serán iguales y el globo dejará de ascender.

Gracias por la respuesta detallada hdhondt. ¿Podría explicar también por qué en la primera imagen, los líquidos de diferentes densidades tienen límites distintos en función de sus densidades (mientras que para el hielo, no es un límite distinto sino mitad adentro y mitad afuera)? Es decir, ¿por qué lo que es cierto para el hielo no se mantiene en mi primera imagen encima de los líquidos coloreados? Si aguantase, ¿no se mezclarían parcialmente los líquidos?
La diferencia de densidad da como resultado una fuerza (fuerza de flotación) que empuja hacia arriba el objeto menos denso. En el caso del cubo de hielo, es un sólido, por lo que se hunde hasta que la fuerza de flotación anula la fuerza ejercida por la gravedad. En el caso de un líquido, las fuerzas harán que se deforme y se extienda. Si hay un recipiente, el líquido se esparcirá hasta llenar el recipiente. Si no, se extenderá indefinidamente. El aceite sobre el agua se esparcirá hasta que sea extremadamente delgado, del orden de unas pocas longitudes de onda de luz, lo que resultará en colores de 'arcoíris negativos' debido a los efectos de interferencia.
Y, de hecho, el hielo tiene un límite definido, simplemente no es un buen plano plano. Cuando quitas el cubo de hielo, no esperas que quede un agujero en el agua, ¿verdad? La gravedad tira hacia abajo los puntos altos y el fluido se redistribuye para formar una superficie plana. Esto sucede en cualquier límite de fluido: fluido/gas y fluido/fluido de diferentes densidades.
@alex, ¿se necesita gravedad para que el fluido vuelva a la forma anterior? ¿No es la fuerza elástica la que trabaja para llevar el fluido a la forma anterior? Creo que este regreso a la forma anterior ocurrirá incluso en el espacio donde la gravedad es muy débil.
La tensión superficial ayudará, sin duda. Pero la gravedad es lo que en última instancia hace que la superficie quede plana.
Sin embargo, la densidad del agua no cambia mucho en la profundidad, el plomo siempre se hundiría hasta el fondo.
El agua no cambia apreciablemente de densidad en función de la presión. Bajo presiones extremas, simplemente se solidificará en Hielo VI, VII o X.

Me gusta responder reinterpretando su pregunta: si espera que el hielo esté completamente sobre el agua porque el hielo es menos denso que el agua (como se indica en la imagen de la izquierda), entonces también esperaría que el hielo esté completamente debajo del aire porque el hielo es más denso que el aire (para que esto sea cierto, piense en empujar su cubo de hielo hacia abajo en el agua para que su superficie superior esté nivelada con la superficie del agua). Ambos no es posible al mismo tiempo, obviamente. Entonces ve que su razonamiento no le da una solución bien definida y, por lo tanto, su razonamiento (¿no debería estar completamente sobre el agua?) Debe ser falso.

Me gusta esta pregunta, pero no estoy seguro de cómo responderla. El cubo de hielo no puede estar completamente debajo del aire ya que el aire está en todas partes (incluso si empujamos el cubo de hielo hacia abajo, no podría estar completamente debajo del aire). Pero para el agua y el hielo, si decimos que sostuvo el cubo de hielo, podría existir sobre el agua). Así que no estoy muy seguro de cómo relacionar ambos casos.
@ K-Feldspar ¿Por qué llamas a mi respuesta una pregunta? ¿Y por qué quieres responderla? :) Mi respuesta es una respuesta a la pregunta "por qué no se asienta completamente sobre el agua" (= por qué la imagen de la izquierda no tiene sentido), porque muestro que con el mismo argumento, debería estar completamente debajo del aire. Trataré de aclarar eso.
Hola Ben. No quise decir exactamente una pregunta, solo un contraejemplo de mi pregunta original para que entienda el fenómeno. En cuanto a por qué quería responderla, por respuesta quise decir la diferencia entre los dos casos para poder explicar/entender la idea :) Lo siento si te confundí.
Este es un buen argumento, ya que muestra que el razonamiento intuitivo del OP es defectuoso. Sin embargo, también sugiere implícitamente que es la presencia de aire sobre el agua lo que de alguna manera empuja el cubo de hielo hacia abajo, lo cual no es cierto; incluso sin aire, el cubo de hielo aún estaría sumergido en su mayor parte, solo porque esa es la configuración que minimiza la energía potencial combinada del hielo y el agua. (Por supuesto, eliminar todo el aire también haría que el agua comenzara a hervir debido a la caída de presión, pero ignoremos ese detalle).
[...] De hecho, reducir la densidad del aire (digamos, reemplazándolo con helio) en realidad haría que el hielo se hundiera un poco más, ya que la flotabilidad total es igual al peso combinado del agua y el aire desplazado por el cubo de hielo. . Con menos aire para desplazar, el cubo debe hundirse un poco más en el agua para que la flotabilidad iguale su propio peso.
@IlmariKaronen: El agua soporta el peso del cubo de hielo y la columna de aire sobre el hielo. Eliminar el aire ignorando las tasas de evaporación haría que el cubo de hielo flotara más alto, no más bajo, porque el peso efectivo del hielo se hace más pequeño.
@MichaelS: Eso no parece correcto, porque si hacemos que el aire sea más denso , el hielo ciertamente se elevará , y en el punto donde el aire supera la densidad del hielo, ¡el cubo de hielo abandonará el agua por completo!
@HenningMakholm: En el mundo real, aumentar la densidad del aire empuja hacia abajo el cubo de hielo con más fuerza, pero también empuja hacia abajo con más fuerza el agua, lo que aumenta la presión del agua, lo que aumenta la fuerza hacia arriba en la parte inferior del cubo. Esto es lo mismo que causa la evaporación cuando se reduce la densidad del aire, por lo que no se puede ignorar. Tal vez mi comentario te estaba tomando demasiado literalmente.

Creo que la verdadera pregunta que está haciendo aquí es: ¿por qué los fluidos menos densos permanecen completamente por encima de los fluidos más densos, mientras que los sólidos menos densos se hunden parcialmente?

Si el hielo cubriera la misma área que el agua debajo, entonces se asentaría completamente sobre el agua. Ese es el caso en un estanque completamente cubierto de hielo.
Pero debido a que el hielo tiene un peso no despreciable, la superficie del agua helada tiene una presión superior a la atmosférica; esto es lo que evita que la capa de hielo se hunda. Sin embargo, si hay algún espacio en la capa de hielo, el exceso de presión empujará el agua hacia arriba hasta que su propia presión hidrostática la compense. En particular, si la mayor parte de la superficie no está cubierta de hielo, habrá mucha agua saliendo del fondo del hielo. Esto se describe de manera más sensata al revés: el hielo se hunde de alguna manera en el agua .

Ahora, eso les da un estado que no es del todo óptimo, energéticamente: hay porciones de agua más altas que porciones de hielo. Si pudiera intercambiar estas porciones, obtendría un estado más estable.

Optimización de la energía de un bloque de hielo flotante

El límite de este proceso es un estado en el que todo el hielo se asienta sobre el agua. Sin embargo, dado que el hielo es sólido, no puedes hacer esto sin cortar/romper trozos de hielo.

En el caso de dos fluidos de diferente densidad, sin embargo, es posible mover fácilmente porciones del material más liviano, y debido a que es energéticamente favorable, en realidad sucederá automáticamente.

La diferencia entre la imagen de los líquidos bien colocados uno encima del otro y un cubo de hielo en agua es que los líquidos pueden cambiar su forma para adaptarse a la forma del recipiente, mientras que el hielo no puede. Si el hielo pudiera cambiar su forma y fluir para llenar el recipiente, vería exactamente lo que predice su intuición: el hielo se asienta completamente sobre el agua. De hecho, si visualiza un lago que se ha congelado, ¡eso es exactamente lo que obtiene! Sin embargo, su cubo de hielo no puede fluir así. Entonces, en cambio, sigue el principio de Arquímedes, como han sugerido otros, y "desplaza" una cantidad de agua igual a su masa. Como es menos denso que el agua, esa cantidad de desplazamiento hará que el cubo de hielo descanse parcialmente sumergido.

En cuanto a las canicas que se sacuden hasta la parte superior, eso es ligeramente diferente. Es el mismo principio, solo que con un giro. En el caso de que se agite el contenedor de canicas, es un proceso estocástico. La expectativa estadística es que el movimiento promedio hará que los objetos menos densos se eleven a la parte superior y que los objetos más densos se hundan. Sin embargo, rara vez los agitamos lo suficiente como para separar completamente las canicas en distintas capas crujientes. Compare esto con los líquidos. El caso equivalente para un líquido sería montones y montones de pequeñas canicas, y las estás sacudiendo continuamente, muy, muy rápido. Naturalmente, vemos más estratificación en los líquidos que en los sólidos, simplemente por esto.

Nota: también hay un segundo efecto en el caso de las canicas. El ejemplo anterior ocurre solo si todos los objetos tienen el mismo tamaño. En el caso de medios mixtos (como un contenedor de frutos secos mixtos), este efecto se ve eclipsado por otro efecto. Los objetos pequeños pueden apilarse debajo de los grandes, por lo que, en general, los grandes (como las nueces de macadamia) se elevan hasta la parte superior.

Incluso en este caso, con un efecto más pronunciado que la densidad, no vemos una perfecta estratificación de los frutos secos mixtos. Siempre hay un pequeño número de ellos que no están en el "lugar correcto", como un maní que logra ser arrojado encima de un mar de nueces. Entonces, cuando compara tres casos, los líquidos estratificados, el hielo sobre el agua y el recipiente con canicas, en realidad no ve los líquidos estratificados y las canicas "actuando de la misma manera" y el hielo actuando de manera extraña. Realmente ves que los líquidos están más estratificados, luego el hielo sobre el agua, y las canicas en realidad proporcionan la menor estratificación de los tres ejemplos. Si su intuición le dice lo contrario, eso puede sugerir que su intuición está explicando algunos de estos factores aleatorios para usted y sesgando sus resultados.

Trataré de explicar esto usando algunas matemáticas. Tengamos un cubo de hielo flotando en el agua. Sea la densidad del agua ρ 1 y que de hielo sea ρ 2 . Sea el volumen del cubo de hielo v . Sea el volumen sumergido v ′ . Si consideras las fuerzas sobre el bloque de hielo:

ρ 2 ⋅ v ⋅ gramo = ρ 1 ⋅ v ′ ⋅ gramo
Cancelando g de ambos lados,
ρ 2 ⋅ v = ρ 1 ⋅ v ′
Ahora,
v ′ / v = ρ 2 / ρ 1
Claramente, ρ 2 < ρ 1 . Eso significa,
v ′ / v < 1 ⟹             v ′ < v

Esto significa que el volumen sumergido (v') es menor que el volumen total del cubo. Eso también significa que el cubo no se sumergirá completamente en agua, siempre que no se aplique una fuerza externa.

Ya hay muchas buenas respuestas, pero creo que este es el tipo de respuesta intuitiva que está buscando:

Entiende que la "información" que el agua tiene que "saber" para que ocurra este comportamiento no es la densidad del hielo. Dicho de otra manera, el agua que soporta el hielo no "conoce" la densidad del hielo de arriba . No piensa: "¡Oooh, este es un sólido poco denso! ¡¡Lo empujaré hasta el final!!" Más bien, el agua solo siente el peso del objeto.

Suena tonto hasta que te das cuenta de que transmite el punto crucial: si tomas la parte del hielo que no toca el agua (que es prácticamente todo excepto las moléculas en la superficie sumergida) y la reemplazas con algún otro material de igual peso y centro de gravedad pero diferente densidad, entonces, intuitivamente, nada debería cambiar , incluso si la densidad del objeto es mayor ahora .

Esta intuición debería decirle que la baja densidad no es necesaria ni suficiente para la flotación . Más bien, solo es necesario evitar la inmersión completa , lo que, por supuesto, el hielo no está haciendo. La forma en que flota realmente un objeto dependería de otros factores, como la forma del objeto, su centro de gravedad y cómo se sumergió inicialmente en el agua.

¡Espero que esto aborde el quid de la cuestión para usted!

La gente ha estado respondiendo basándose en el equilibrio de fuerzas, pero hay una respuesta equivalente (y, en mi opinión, más satisfactoria) basada en la conservación de la energía.

Supongamos que el cubo de hielo está inicialmente justo encima de la superficie del agua. Si lo sumerges un poco en el agua, una pequeña parte del agua se verá obligada a moverse hacia arriba, aumentando la energía potencial gravitacional. Pero todo el cubo de hielo se moverá hacia abajo, disminuyendo significativamente la energía. Entonces, la configuración de energía mínima siempre hace que el objeto se hunda en el agua al menos un poco.

Tenga en cuenta que este argumento no se aplica a dos fluidos, donde la configuración de equilibrio realmente tiene el fluido más ligero en la parte superior. ¿Por qué? Considere mover un cubo del líquido para encendedores hacia abajo. Se mantienen los mismos argumentos anteriores, excepto que cuando el fluido más pesado se mueve hacia arriba, todo el fluido más liviano se ve obligado a moverse hacia arriba también. Entonces, la configuración completamente separada realmente tiene una energía mínima.

En el ejemplo del cubo de hielo, el "líquido para encendedores" que se empuja hacia arriba es aire, no hielo. Como el aire es mucho más liviano que el agua, el cubo de hielo se hunde.

En realidad, lo crucial no es que solo una pequeña cantidad de agua sea forzada hacia arriba cuando el cubo de hielo baje infinitesimalmente en el agua, sino que el agua que inicialmente fue forzada también solo tiene que viajar una pequeña distancia hacia arriba. De este modo Δ tu agua ∝ Δ h 2 , pero Δ tu hielo ∝ Δ h .
@leftaroundabout Omití ese detalle, porque todo se mueve aproximadamente a la misma distancia. En Δ tu = metro gramo h , la verdadera diferencia está en metro , no h .

Diría que lo que se muestra en la segunda imagen de tres, donde el trozo de hielo está sobre el agua, es estáticamente imposible porque la presión sobre la superficie del agua debajo del hielo es mayor que la presión sobre la superficie del agua entre el hielo y las paredes del recipiente, por lo que el agua se estruja entre las paredes y el hielo. Por otro lado, si el hielo encaja bien en el recipiente, podría "flotar" sobre el agua.

Dado que el hielo es menos denso que el agua, ¿por qué no se asienta completamente sobre el agua (en lugar de sumergirlo ligeramente)?
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