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

Question

Por ejemplo.

1. Si tuviéramos un frasco de canicas u otra cosa de diferentes densidades y lo sacudiéramos, las más densas irían al fondo y las menos densas arriba. (Fuente de la imagen)
2. Si yo pongo un cubo de plomo en agua, se hundiría completamente 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 queda plano encima de ella (como en la imagen izquierda). En cambio, parte del hielo está sumergido en el agua (como en la imagen derecha), y parte se encuentra sobre ella.

Answer 1

Cuando se coloca un objeto en agua, 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 se coloca plomo en agua, el peso del plomo es mucho mayor que el del mismo volumen de agua. Por lo tanto, se hunde hasta el fondo. Dado que el hielo solo pesa alrededor del 90% de su volumen de agua, el 90% del hielo estará debajo del agua, el resto arriba. La cifra exacta es del 91.7%, dada por las gravedades específicas del agua (0.9998) y del hielo (0.9168) a 0 C.

De hecho, en el caso del plomo, si el agua fuera lo suficientemente profunda, el plomo se hundiría hasta el punto en que su peso sea igual al del agua bajo presión en profundidades. Dado que el plomo se comprimirá al igual que el agua, eso puede que nunca suceda, pero para otros objetos y/o fluidos podría ocurrir.

Este también es el motivo por el cual los globos llenos de helio flotan hacia arriba: su peso es menor que el del mismo volumen de aire. A medida que flotan hacia arriba, el globo se expande, mientras que el aire se hace más raro y, por lo tanto, más ligero. A cierta altitud, los dos serán iguales y el globo dejará de subir.

Answer 2

Me gusta responder reinterpretando tu pregunta: si esperas que el hielo esté completamente sobre el agua porque el hielo es menos denso que el agua (como se indica en tu imagen izquierda), entonces también esperarías que el hielo esté completamente debajo del aire porque el hielo es más denso que el aire (para que esto sea cierto, piensa en empujar tu cubo de hielo hacia abajo en el agua para que su superficie superior esté nivelada con la superficie del agua). Ambos no son posibles al mismo tiempo, obviamente. Así que ves que tu razonamiento no te da una solución bien definida, y por lo tanto tu razonamiento (¿debería estar completamente encima del agua?) debe ser falso.

Answer 3

Creo que la verdadera pregunta que estás haciendo aquí es: ¿por qué los fluidos menos densos permanecen completamente arriba 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 sí estaría completamente encima del 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 hielo-agua tiene una presión mayor que la atmosférica, y esto es lo que mantiene a la capa de hielo sin hundirse. Sin embargo, si hay algún espacio en la cubierta de hielo, la presión adicional empujará al agua hacia arriba hasta que su propia presión hidrostática la compense. En particular, si la mayor parte de la superficie no está cubierta con hielo, entonces habrá mucha agua subiendo por encima del fondo del hielo. Esto se describe de manera más sensata en sentido contrario: el hielo se hunde en cierta medida en el agua.

Ahora, eso te da un estado que no es precisamente óptimo, energéticamente hablando: hay porciones de agua que están más altas que porciones de hielo. Si pudieras intercambiar estas porciones, obtendrías un estado más estable.

El límite de este proceso es un estado donde todo el hielo está encima del agua. Sin embargo, dado que el hielo es sólido, realmente no puedes hacer esto sin cortar / romper trozos de hielo.

En el caso de dos fluidos de diferente densidad, sin embargo, es fácil mover porciones del material más liviano alrededor, y debido a que es energéticamente favorable, esto de hecho sucederá automáticamente.

Answer 4

La diferencia entre la imagen de los líquidos todos perfectamente estratificados unos sobre otros y un cubo de hielo en agua es que los líquidos pueden cambiar su forma para adaptarse a la forma del contenedor mientras que el hielo no puede. Si el hielo pudiera cambiar su forma y fluir para llenar el contenedor, verías exactamente lo que tu intuición predice: el hielo se asienta completamente sobre el agua. De hecho, si visualizas un lago que se ha congelado, ¡eso es exactamente lo que obtienes! Sin embargo, tu cubo de hielo no puede fluir así. Entonces, en su lugar, sigue el principio de Arquímedes, como otros han sugerido, y "desplaza" una cantidad de agua igual a su masa. Dado que es menos denso que el agua, esa cantidad de desplazamiento hará que el cubo de hielo descanse parcialmente sumergido.

En cuanto a las canicas subiendo a la parte superior, eso es ligeramente diferente. Es el mismo principio, solo con un giro. En el caso del contenedor de canicas que se agita, es un proceso estocástico. La expectativa estadística es que el agitar promedio hará que los objetos menos densos suban a la parte superior y los objetos más densos se hundan. Sin embargo, rara vez las agitamos lo suficiente como para separar por completo las canicas en capas nítidas distintas. Compara esto con los líquidos. El caso equivalente para un líquido serían muchas y muchas canicas pequeñas, y las estás agitando continuamente 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 cada objeto es del mismo tamaño. En el caso de medios mixtos (como un recipiente de nueces mixtas), este efecto se ve opacado por otro efecto. Los objetos pequeños pueden apilarse debajo de los grandes, por lo que, en general, los grandes (como las nueces de macadamia) suben a la parte superior.

Incluso en este caso, con un efecto que es más pronunciado que la densidad, no vemos una estratificación perfecta de las nueces mixtas. Siempre hay un pequeño número de ellas que no están en el "lugar correcto", como un cacahuete que logra ser arrojado encima de un mar de nueces. Por lo tanto, al comparar tres casos, los líquidos estratificados, el hielo sobre el agua y el contenedor de canicas, en realidad no ves a los líquidos y canicas estratificados "actuando de la misma manera" y al hielo actuar de manera extraña. Realmente ves que los líquidos están más estratificados, luego el hielo sobre el agua, y las canicas realmente proporcionan la menor estratificación de los tres ejemplos. Si tu intuición te dice lo contrario, eso puede sugerir que tu intuición está teniendo en cuenta algunos de estos factores aleatorios por ti y sesgando tus resultados.

Answer 5

Voy a tratar de explicar esto usando algo de matemáticas. Tenemos un cubo de hielo flotando en agua. Que la densidad del agua sea $ \rho_1 $ y la del hielo sea $\rho_2$. Que el volumen del cubo de hielo sea $v$. Que el volumen sumergido sea $v'$. Si consideras las fuerzas sobre el bloque de hielo: $$ \rho_2 \cdot v \cdot g = \rho_1 \cdot v^\prime\cdot g $$ Cancelando g de ambos lados, $$ \rho_2\cdot v = \rho_1\cdot v^\prime$$ Ahora, $$ v^\prime / v = \rho_2 / \rho_1 $$ Claramente, $\rho_2 < \rho_1$ . Eso significa, $$\begin{align} v^\prime / v &< 1 \\ \implies~~ v^\prime & < v\end{align}$$

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 ninguna fuerza externa.