Простая несправедливость
Брось в ведро с водой камень — утонет. Гвоздь — утонет. Ложку — утонет. Кубик льда — будет плавать.
Но лёд же твёрдый и холодный! Он вообще-то и есть та самая вода, только замёрзшая. Почему он не тонет в самом себе?
Этот вопрос не такой мелкий, как кажется. Вода в этом смысле — редкая чудачка: почти все вещества на свете, застывая, становятся тяжелее и тонут в собственной жидкости. Расплавленный воск, металл, парафин — все тонут. Вода — нет.
И благодаря этой чудаковатости в зимних озёрах остаётся жизнь. Но сначала разберёмся, почему вообще что-то плавает.
Кто решает: тонуть или плыть
Распространённая ошибка — думать, что тонет тяжёлое, а плавает лёгкое. Это неправда: огромный морской паром весит десятки тысяч тонн и не тонет, а маленький болтик идёт ко дну.
Дело не в весе, а в плотности — в том, сколько вещества умещается в одном и том же объёме.
Плотность воды — примерно 1000 килограммов в кубометре, то есть литр воды весит килограмм. Дерево плотнее воздуха, но легче воды — плавает. Камень плотнее воды — тонет.
А паром? Он железный, но внутри у него огромные пустые объёмы с воздухом. Если посчитать весь корабль целиком — вместе с воздухом внутри, — получится плотность гораздо меньше воды. Поэтому он плывёт. Как только в пробоину зальётся вода и вытеснит воздух, средняя плотность вырастет — и корабль пойдёт ко дну.
Откуда берётся выталкивающая сила
Почему лёгкое вообще всплывает? Из-за давления воды.
Вода давит на всё, что в неё погружено, со всех сторон. Но давление растёт с глубиной: чем глубже, тем больше воды над тобой, тем сильнее она прижимает. Ты это чувствовал ушами, ныряя на дно.
Значит, на нижнюю сторону погружённого предмета вода давит сильнее, чем на верхнюю. Боковые давления взаимно уравновешиваются, а разница между «снизу» и «сверху» остаётся. Она-то и толкает предмет вверх.
Эту силу открыл греческий учёный Архимед примерно две с половиной тысячи лет назад и сформулировал коротко: тело выталкивается с силой, равной весу вытесненной им жидкости.
То есть если твоя льдина раздвинула собой три килограмма воды, вода толкает её вверх с силой в три килограмма веса. Если сама льдина весит меньше — она всплывёт, пока не погрузится ровно настолько, чтобы вытеснить свои собственные три килограмма.
Почему лёд легче воды
Теперь к главной странности. Почему при замерзании вода расширяется, а не сжимается?
Обычно всё наоборот. Когда вещество остывает, его частицы двигаются медленнее и сбиваются теснее. Объём уменьшается, плотность растёт, твёрдое тонет в жидком.
У воды особые молекулы. Каждая похожа на маленький уголок: в середине атом кислорода, по бокам два атома водорода. Из-за этой формы у молекулы один край чуть «плюсовой», другой чуть «минусовой», и молекулы притягиваются друг к другу этими краями — цепляются, как магнитики.
В жидкой воде молекулы всё время сцепляются и расцепляются, толкаются и проскальзывают мимо друг друга. Они лежат довольно плотно, хоть и беспорядочно.
А когда вода замерзает, движения не хватает, чтобы разрывать связи. Молекулы фиксируются и выстраиваются в строгую шестиугольную решётку — и в этой решётке между ними остаются пустоты. Молекулы держатся друг от друга на «вытянутых руках» вместо того, чтобы сбиваться в кучу.
Из-за пустот тот же самый набор молекул занимает больше места. Объём вырастает примерно на 9 процентов, а плотность на столько же падает. Отсюда и плавучесть.
Кстати, шестиугольная решётка — причина того, что снежинки шестилучевые. Форма решётки проступает наружу.
Расширяющийся лёд всё ломает
Эти 9 процентов — не мелочь. Вода при замерзании расширяется с огромной силой, и остановить её почти невозможно.
- Забытая в морозилке стеклянная бутылка с водой лопается.
- Вода, затёкшая в трещину скалы, за зиму разрывает камень. Так горы постепенно превращаются в щебень.
- Замёрзшая труба рвётся, и весной дом заливает.
- Асфальт покрывается ямами, потому что вода замерзает в его мелких щелях.
Проверить силу этого расширения можно дома — безопасно и наглядно.
Что было бы, если бы лёд тонул
Представь, что вода — обычное вещество и лёд тонет.
Осенью озеро остывает сверху. Ледяная корка образуется на поверхности — и сразу же идёт ко дну. Освободившаяся поверхность замерзает снова, и новый лёд тоже тонет. Так повторяется всю зиму, пока озеро не промёрзнет до самого дна — сплошным куском.
Всё живое в нём погибло бы. А летом солнце прогрело бы только верхний слой: толща льда на дне не растаяла бы за короткое лето, и с каждым годом её становилось бы больше. Реки, озёра и, возможно, целые океаны превратились бы в ледяные глыбы.
В нашем мире всё иначе. Лёд остаётся сверху и работает крышкой: он плохо проводит тепло, а сверху его ещё и накрывает снег, который держит тепло не хуже пухового одеяла. Под этой крышкой вода остаётся жидкой и держит температуру около +4 градусов у дна.
Почему именно +4? Это ещё одна странность воды: она плотнее всего не при нуле, а при +4 градусах. Самая тяжёлая вода опускается на дно, и рыбы зимуют именно там.
Главное в трёх строчках
- Плавает не лёгкое, а то, у чего плотность меньше плотности жидкости; вода выталкивает тело с силой, равной весу вытесненной воды.
- Замерзая, вода выстраивает молекулы в решётку с пустотами и расширяется примерно на 9 процентов — поэтому лёд легче воды и плавает, показывая над поверхностью лишь десятую часть.
- Плавающий лёд накрывает водоёмы крышкой и не даёт им промёрзнуть до дна, благодаря чему подо льдом зимует живность.