مجلة عالم التكنولوجيا
مجلة تكنولوجية شاملة

لماذا يطفو الجليد على سطح الماء؟

 

عالم التكنولوجيا   ترجمة

ربما لن يبدو المشروب البارد المنعش في يوم حار جذابًا إذا سقطت مكعبات الثلج مثل الحجر في قاع الكوب؛ لذا لماذا يطفو الجليد على سطح الماء؟

– ما الذي يجعل شيئًا ما يطفو؟

جسم أقل كثافة من الماء سوف يطفو. يمكننا تفسير هذه الظاهرة بمساعدة نظرية تسمى “مبدأ أرخميدس”.

عندما تضع شيئًا ما في كوب من الماء ستشعر بقوة طفو تدفعه لأعلى ضد الجاذبية. ولكي يكون الجسم تحت الماء كليًا أو جزئيًا؛ يجب أن يكون تم إزاحة بعض الماء، وهو ما يمكنك رؤيته في ارتفاع منسوب المياه.

يقول “مبدأ أرخميدس” إن قوة الطفو الصاعدة التي تدفع الجسم المغمور بالمياه تساوي وزن الماء المُزاح. وزن الجسم يساوي ضرب كتلته في g، التسارع الناتج عن الجاذبية؛ لذا فإن قوة الطفو الصاعدة -دعنا نسميها FB للطفو- تساوي كتلة الماء x g.

والكثافة هي الكتلة مقسومة على الحجم، ويمكننا إعادة ترتيبها لنقول إن الكتلة هي الكثافة مضروبة في الحجم، إذًا يمكننا القول إن FB قوة الطفو لدينا، تساوي كثافة الماء x حجم الماء x g.

لكي يطفو شيء ما؛ يجب أن تكون قوة الطفو الصاعدة على الأقل بنفس حجم قوة الجاذبية. إذن ما الذي يحدد حدوث ذلك؟ يعود الأمر إلى إدراك أرخميدس أن حجم الماء المزاح يساوي حجم الجسم تحت الماء.

لذا؛ إذا كان حجم الماء مساويًا لحجم الجسم المغمور، فإن قوة الطفو FB تساوي كثافة الماء x حجم الجسم المغمور x g.

يجب أن تكون قوة الطفو هذه على الأقل بنفس حجم قوة الجاذبية. ما هي قوة الجاذبية المؤثرة في الجسم؟ حسنًا، هذا هو وزن الجسم: كتلة الجسم x g. يمكننا استخدام نفس الحيلة السابقة، ونقول إن وزن الجسم، الذي سنسميه W، يساوي كثافة الجسم x حجم الجسم المغمور x g.

هذا هو نفسه تمامًا مثل تعبير FB مع اختلاف واحد: الكثافة؛ لذا فإن قوة الطفو ستوازن قوة الجاذبية إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة الماء.

ترجع كل هذه القواعد الفيزيائية إلى قاعدة بسيطة: الجسم يطفو على الماء إذا كان أقل كثافة.

– ما هي المواد الصلبة أكثر كثافة من السوائل؟

سوف تطفو المادة الصلبة على سائل إذا كانت أقل كثافة، ولكن من النادر أن يكون الشكل الصلب للمادة أقل كثافة من السائل.

يمكن للمادة أن تشكل حالات من المادة تختلف فقط عن طريق طريقة ترتيب الجسيمات. في المادة الصلبة تتراكم الجزيئات معًا بإحكام في نمط متكرر منظم يسمى “الشبكة البلورية”.

عندما تبدأ في تسخين مادة صلبة تكتسب جزيئاتها طاقة وتهتز بقوة أكبر حول مواقعها. في النهاية يكتسبون طاقة كافية بحيث لم يعد من الممكن تثبيتها في مكانها، وتتحرر من الشبكة. وتكون الجزيئات حرة في التحرك، لكنها تبقى قريبة من بعضها بشكل عام. إذا واصلت تسخينه، فسوف تتحرر الجزيئات في النهاية من بعضها البعض تمامًا وتشكل غازًا. عندما تمر المادة خلال كل مرحلة تتغير، تصبح أقل كثافة.

– لماذا الجليد أقل كثافة من الماء؟

إذا كانت المواد الصلبة أكثر كثافة من السوائل، فلماذا يطفو الجليد على الماء؟ لأن الماء حالة خاصة، وتتأثر جزيئات الماء بظاهرة تعرف باسم الترابط الهيدروجيني.

جزيء الماء عبارة عن جزيء على شكل حرف V يتكون من ذرة أكسجين واحدة في المركز مع ذرة هيدروجين على كل جانب. يتم تثبيت الجزيء معًا بواسطة روابط تساهمية؛ أي عندما تشترك ذرتان في زوج من الإلكترونات.

ومع ذلك فإن ذرة الأكسجين تسحب هذه الإلكترونات سالبة الشحنة بقوة أكبر بكثير مما تستطيع ذرات الهيدروجين؛ نتيجة لذلك تميل الإلكترونات إلى التحرك بالقرب من ذرة الأكسجين أكثر من أي من ذرات الهيدروجين. هذا يترك للجزيء ككل شحنة سالبة طفيفة حول نهاية الأكسجين ، وشحنة موجبة طفيفة حول نهاية الهيدروجين.

ونظرًا لأن الأضداد تتجاذب؛ فإن الشحنات الطفيفة على جزيئات مختلفة تتفاعل مع بعضها البعض. تسمى هذه التفاعلات روابط هيدروجينية (والتي من الناحية الفنية ليست روابط على الإطلاق).

وفي شكل سائل، عندما تتحرك الجزيئات، تتشكل الروابط الهيدروجينية وتنكسر مرارًا وتكرارًا، ويمكن للجزيئات أن تنزلق عبر بعضها البعض.

ومع ذلك عندما يبرد الماء يبدأ في التكون على شكل هيكل شبكي بلوري. في حين أن الجزيئات تريد تكوين روابط هيدروجينية بين الشحنة الموجبة والسالبة الطفيفة، فإن نفس الشحنات تتنافر مع بعضها البعض؛ ما يمنع الجزيئات من الاقتراب أكثر من اللازم. والنتيجة هي بنية أقل كثافة بقليل من الماء السائل.

– هل من الممكن منع الجليد من التوسع؟

يكون الماء في أكثر حالاته كثافة عند درجة حرارة 4 درجات مئوية تقريبًا. إذا قمت بتبريده أكثر، فإنه يبدأ في التوسع مرة أخرى، وبمجرد أن يتصلب تمامًا ويتحول إلى جليد يزداد حجمه بنحو 9٪. والضغط الذي يمارسه هذا الجليد المتوسع ليس لانهائي ولكنه هائل.

يبلغ معامل الكتلة للجليد حوالي 8.8 × 109 باسكال. هذا يعني أنه إذا قمت بإغلاق حاوية ممتلئة بالماء وقمت بتجميدها، فسيكون الضغط على جوانب الحاوية حوالي 790 ميجا باسكال أو 114000 رطل لكل بوصة مربعة.

– بدون مساحة للتوسع، هل سيظل الماء يتجمد؟

إذا وضعت الماء في حاوية صلبة قوية جدًا واستمررت في تبريده فسيبدأ الضغط في الارتفاع مع اعتماد المزيد من الجزيئات لتشكيل الشبكة وتضغط على الجزيئات المتبقية التي لا تزال في حالة السائل الحر.

إذا لم تنكسر الحاوية فسوف يرتفع الضغط بسرعة كبيرة حتى تصل في النهاية إلى حوالي 200 ميجا باسكال، تبدأ الذرات في إعادة الترتيب مرة أخرى في تكوين جديد أكثر إحكامًا.

هناك 13 نوعًا معروفًا من الجليد مستقرة في درجات حرارة وضغط مختلفين. يُطلق على الجليد العادي اسم ice Ih، بينما يُطلق على الجليد III أكثر أنواع الجليد كثافة. وفي حاوية مغلقة سيصل ضغط التمدد إلى نقطة توازن وسيتجمد الماء كمزيج من الجليد Ih والجليد III.

اقرأ أيضًا:

إطلاق غواصة فاخرة تحمل 6 أشخاص إلى عمق 3300 قدم

 

ولمتابعة أحدث الأخبار الاقتصادية اضغط هنا

الرابط المختصر :
close

مرحبا 👋

سعداء بالتواصل معكم
قم بالتسجيل ليصلك كل جديد

نحن لا نرسل البريد العشوائي! اقرأ سياسة الخصوصية الخاصة بنا لمزيد من المعلومات.

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.