Лёд плавает на поверхности воды благодаря уникальной аномалии плотности: при замерзании вода расширяется, и её плотность в твердом состоянии становится меньше плотности жидкой фазы. Это происходит из-за формирования кристаллической решетки, в которой молекулы располагаются дальше друг от друга, чем в жидкости. С точки зрения биологии, это критически важно: ледяной покров работает как теплоизолятор, не давая водоемам промерзать до дна, что сохранило жизнь на Земле в ледниковые периоды.
Возьмите сейчас из морозильника кубик льда. Приложите его к ладони. Почувствуйте этот обжигающий холод, от которого кожа слегка немеет и розовеет. Бросьте этот кусочек в стакан с водой. Наблюдайте. Он не идет ко дну камнем. Он всплывает. Степенно. Гордо выставив свою «макушку» над поверхностью.
Многие полагают, что это само собой разумеющееся свойство. Но Яков Исидорович Перельман любил напоминать: перед нами - величайшее нарушение законов физики. Почти все вещества во Вселенной при охлаждении сжимаются и становятся тяжелее. Вода же - бунтарь. Она делает всё наоборот.
Остановитесь на полминуты. Не листайте. Представьте, что случилось бы с миром, если бы вода была «нормальной»? Если бы лёд тонул, как свинец или камень?
Почему решетка требует места?
Звучит странно, но в жидкой воде молекулы живут в тесноте. Они суетятся, сталкиваются, прижимаются друг к другу. Настоящая давка в трамвае. Но как только температура падает до нуля, наступает время дисциплины.
Молекулы начинают выстраиваться в строгие шестиугольники. Кристаллическая решетка. И вот здесь кроется секрет: чтобы построить этот «дворец», молекулам нужно больше пространства. Они раздвигаются. Объем растет. Плотность падает.
В итоге лёд становится на 9% легче воды. Именно эти проценты позволяют ему держаться на плаву. В своё время Перельман писал, что вода - это «жидкое чудо», которое отказывается подчиняться общей логике материи ради того, чтобы жизнь могла продолжаться под ледяным панцирем. Степенно. Торжественно. Неизбежно.
Что было бы, если бы лёд тонул?
Давайте включим воображение аристократа. Если бы лёд тонул, то каждая замерзшая льдинка на Неве или Волге падала бы на дно. Река промерзала бы снизу вверх. За одну суровую зиму все океаны превратились бы в глыбы льда, которые солнце не смогло бы растопить даже за тысячи лет.
Земля стала бы ледяной пустыней. Но природа создала «предохранитель». Плавающий лёд работает как одеяло. Он удерживает тепло воды внизу. Рыбы спят в своей уютной ванне при температуре +4 градуса, пока наверху бушует метель. Настоящее чудо инженерной мысли природы.
«А вы знали?»: Почему бутылка лопается в морозилке?
Та же самая сила, что спасает рыб, может разрушить Ваш дом. Если оставить полную бутылку воды на морозе, расширяющийся лёд создаст давление в тысячи атмосфер. Он способен разорвать чугунные трубы и расколоть гранитные скалы. Перельман называл это «невидимым динамитом». Именно лёд, расширяясь в трещинах гор, за миллионы лет превращает вершины в песок. Великая разрушительная мощь, рожденная из простого холода.
Что далее
Мы перейдем от льда к движению воды. Я подготовил для Вас усложненную версию классической задачи о трубах и бассейне. Мы высчитаем до минуты, как быстро наполнится Ваша ванна, если открыть все краны сразу. Решают эту задачу один из двадцати.
Подпишитесь на канал «А вы знали?», чтобы Ваш ум не застаивался. А Вы когда-нибудь находили на улице камни, расколотые льдом? Напишите в комментариях, обсудим мощь зимней физики.
Читайте также:
Канал «А вы знали?» - задачи, фокусы и наука. Каждый день - повод удивиться.