لماذا يطفو الجليد فوق الماء؟

ما سبب طفو الجليد على سطح الماء؟

تكون كثافة المواد بشكل عام أعلى في حالتها الصّلبة من حالتها السائلة، وتكون أقل حجمًا وأكبر وزنًا أيضًا، ولذلك فإنّ ما يمكن أن يتبادر للذهن عند الحديث عن الماء السائل والجليد، هو أن الجليد سينغمر فور وضعه داخل الماء، إلا أنّ هذا التفكير خاطئ؛ إذ إنّ الجليد عمليًا يطفو عند وضعه في الماء، إذ يرفع الماء الجليد بسبب كثافته العالية مقارنة بالجليد الصلب، فكثافة الماء تزيد على كثافة الجليد بما نسبته 9%،^[١] ويصل الماء عادة إلى أعلى كثافة ممكنة عند درجة حرارة 4.4 درجة مئوية ثم تتناقص بعد ذلك تدريجيًّا مع الاستمرار في التبريد.^[٢]

أما سبب جعل الماء يختلف بهذه الخاصّية الفيزيائية عن غيره من المواد الأخرى التي تتشابه عند تغيّرها من حالة إلى أخرى، هو تقارب جزيئات المواد عادةً من بعضها عند تبريدها بهدف تحويلها إلى الحالة الصلبة، وبالتالي يُلاحظ انكماش حجمها، فتصبح ذات كثافة عالية عند تحوّلها إلى مواد صلبة، أمّا الماء فإنّ الذرّات المكوّنة له هي؛ أيونات أكسجين ذات شحنة سالبة وأيونات هيدروجين تحمل الشحنة الموجبة، والتي تلعب دورًا يؤثّر على طريقة تحوّل المادّة؛ إذ تعزل الروابط الهيدروجينية أيونات الأكسجين السالبة فلا تتمكّن جزيئات الجليد من أن تتقارب فيصبح أقل كثافة، وبهذا يكون الجليد مختلفًا عن باقي المواد بتناسُب كثافته طرديًّا مع درجة الحرارة، فتقل الكثافة بنقصان درجة الحرارة.^[١]

كيفية حساب كثافة الجليد

ما هي الكثافة؟ وكيف يمكن حسابها للجليد؟ تعرف الكثافة (بالإنجليزية: Density) بأنها مقياس لمقدار تقارب جزيئات المواد، والتي يمكن من خلالها معرفة كمية مادة معينة في وحدة الحجم، ولتحديد كثافة الجليد ينبغي معرفة كل من العاملين المؤثرين عليها بشكل مباشر وهما؛ الكتلة والحجم، إذ إنّ الكثافة تكافئ مقدار الكتلة مقسمومةً على حجم الجسم، وبالرموز:(d= M/V)، إذ إنّ:^[٣]

• d: كثافة الجسم بوحدة (غرام/ سنتيمتر) أو (كيلو غرام/ متر مكعب)
• M: كتلة الجسم بوحدة (الغرام) أو (الكيلو غرام)
• V: حجم الجسم بوحدة (السنتيمتر المكعب) أو (المتر المكعب)

يتم تحديد العامل الأوّل وهو الكتلة، والتي يمكن قياسها بشكل مباشر وسريع في المختبر، كما يجب معرفة الحجم بعد ذلك لحساب الكثافة، ويتم هذا بطريقتين رئيستين هما:^[٤]

القياس اليدوي وقوانين الحجم

يتم قياس الحجم من خلال معرفة الأبعاد وتطبيق قوانين الحجم المختلفة حسب الشكل الموجود، ويمكن استخدام هذه الطريقة للأجسام ذات الأشكال المنتظمة، ويتم بالتفصيل باتّباع الخطوات الآتية:^[٤]

• ملء علبة ذات شكل منتظم مثل المكعب أو متوازي المستطيلات بالماء، مع الحرص على عدم ملئها بشكل كامل، بل ترك القليل من الفراغ بنسبة (10-20)% تقريبًا لتفادي الكسر.
• وضع العلبة في الفريزر لمدّة تسمح للماء بالتجمّد والتحوّل إلى الحالة الصّلبة.
• إخراج العلبة من الفريزر ووضعها بشكل مقلوب بهدف إخراج قطعة الجليد، يمكن الطرق على العلبة أو ترك الجليد حتى يذوب جزء منه في حال لم تخرج القطعة بسهولة.
• قياس أبعاد كتلة الجليد؛ الطول، والعرض، والارتفاع بشكل دقيق.
• حساب حجم القطعة من خلال استخدام قانون الحجم، الحجم= الطول × العرض × الارتفاع.
• يتم استخدام وحدة حجم مناسبة بحيث تتناسب مع الوحدة التي تمّ استخدامها في القياس، فمثلًا نستخدم للحجم وحدة السنتيمتر مكعب في حال كانت الأبعاد مُقاسة بوحدة السنتيمتر، وهكذا.
• وفي النهاية يتم حساب الكثافة بعد معرفة الوزن من خلال قسمة الوزن على الحجم المحسوب، ويتم إلحاق الناتج بوحدة مناسبة للكثافة، مثل: غرام/ سنتيمتر مكعب.

طريقة إزاحة الماء

تستخدم هذه الطريقة لتحديد أحجام الأجسام بغض النظر عن شكلها، سواء أكانت منتظمة أم لا، ويمكن تطبيقها عمليًّا باتّباع الخطوات الآتية:^[٤]

• إحضار وعائين أحدهما كبير والآخر أصغر مع مراعاة أن يكون الوعاء الأصغر قادرًا على استيعاب قطعة الجليد المراد حساب حجمها.
• ملء الوعاء الأصغر بالماء تمامًا حتى حافّته ووضعه داخل الوعاء الأكبر.
• تحديد وزن قطعة الجليد قبل إكمال باقي الخطوات.
• وضع قطعة الجليد داخل الوعاء الصغير المملوء بالماء، مع الضغط بشكل خفيف على قطعة الجليد ليتم إجبارها على الانغمار تمامًا داخل الماء.
• جمع الماء المسكوب من الوعاء الصغير في الوعاء الكبير ليتم نقله إلى مخبار مدرّج.
• حجم الماء المُزاح هو نفسه حجم قطعة الجليد، وعند استخدام المخبار المُدرّج، يجب الانتباه إلى أنّ كل ملليمتر يعادل سنتيمتر مكعب واحد.
• قسمة الوزن المُقاس سابقًا على الحجم الذي تمّ إيجاده للتمكُّن من الحصول على الكثافة.

هل يمكن أن يغطس الجليد في الماء؟

يطفو الجليد العادي بشكل عام عند وضعه في الماء بسبب فرق الكثافة، إذ إنّ كثافة الماء العادي أعلى من كثافة الجليد العادي، إلا أنّ هنالك حالة خاصّة يمكن فيها للجليد أن ينغمر في الماء العادي، ويحدث ذلك عندما تكون مكوّنات الجليد مختلفة عن المكونات المعتادة، أي عندما يحتوي على الديوتيروم (بالإنجليزية: Deuterium) وهو من نظائر غاز الهيدروجين، عندها نقول بأن الجليد مكون من ماء ثقيل الوزن، ينغمر بسهولة في الماء ذي الكثافة العالية، فروابطه الهيدروجينية لا تستطيع التغلّب على الكثافة العالية، وبذلك يمكن القول بأنّ الجليد الثقيل لا يمكنه أن يطفو أبدًا في الماء.^[٥]

ما المقصود بقوة الطفو؟

قوة الطفو (بالإنجليزية: Buoyant force)، هي القوّة التي تدفع الأجسام إلى الأعلى وتمنعها من الانغمار في الموائع، والسبب الأساسي لهذه القوّة هو الضغط الذي يولّده المائع نفسه على الجسم، حيث يوجد فرق بين الضغط الذي يتعرّض له الجزء العلوي من الجسم والضغط الذي يتعرّض له الجزء السفلي منه، إذ يكون الضغط الواقع على أسفل الجسم والذي يوجّهه إلى الأعلى أعلى من الضغط الواقع عليه من الأعلى والذي يوجهه إلى الأسفل، وبسبب تفاوت الضغط بين أعلى الجسم وأسفله، فإن الجسم يطفو بالنتيجة، كما أنّ بعض الأجسام تنغمر بسبب أوزانها الثقيلة والتي تتفوّق على قوّة الطفو.^[٦]

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Why does ice float?", childrensmuseum, Retrieved 04/06/2021. Edited.
2. ↑ "Why Does Ice Float in Water?", wonderopolis, Retrieved 04/06/2021. Edited.
3. ↑ Adam Augustyn (02/02/2021), "Density", britannica, Retrieved 04/06/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت} Eric Moll (25/04/2017), "How To Determine the Density of Ice", sciencing, Retrieved 04/06/2021. Edited.
5. ↑ Anne Marie Helmenstine (03/02/2020), "Ice and the Density of Water", thoughtco, Retrieved 04/06/2021. Edited.
6. ↑ "What is buoyant force?", khanacademy, Retrieved 04/06/2021. Edited.