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¿Por qué flota el hielo en el agua?

Todos hemos visto que los cubitos de hielo flotan en un vaso con agua y que un iceberg siempre asoma por sobre la superficie… y si no fuese así la vida del planeta sería muy distinta. La física nos ayuda a entender el fenómeno de la flotabilidad del hielo y a entender el porqué cuando vemos un iceberg flotando en el mar estamos viendo sólo el 11% de su volumen.

Iceberg

Iceberg: el 89% de su volumen por debajo del agua

Conceptos básicos que damos por sabidos

  • Por el principio de Arquímedes sabemos que cuando un cuerpo flota al ser sumergido en un líquido es porque se produce un equilibrio de fuerzas entre el empuje hacia arriba del líquido y el peso del cuerpo hacia abajo.
  • Sabemos que si pesamos 1 cm3 de agua, ésta pesa un gramo. Dicho de otra manera, la densidad del agua  a temperatura normal (15 grados) es 1 g/cm3. Aunque la densidad del agua de mar, por la sal, es aproximadamente de 1,03 g/cm3 aquí utilizaremos el valor 1 para simplificar.
  • Podemos suponer que un mismo elemento es menos denso cuando está en estado gaseoso que cuando está en estado líquido y es aún más denso en estado sólido. Veremos que con el agua esto no es así.

Práctica simple

  • Tenemos una regla para poder medir
  • Tenemos un cubo de hielo de 1dm3 (10 cm x 10 cm x 10 cm) = 1.000 cm3
  • Tiramos el cubo de hielo al agua y comprobamos que… flota… esto significa dos cosas:
  1. Que hay un punto de equilibrio de fuerzas entre el empuje del agua y el peso del cubo de hielo, si no, se hubiera ido hasta el fondo
  2. Que "el agua sólida" (el hielo) es menos densa que el agua en estado líquido.
  • Por ahora, desconocemos la densidad del hielo y es lo que queremos averiguar

Medimos la parte del cubo de hielo que sobresale del agua… y vemos que son aproximadamente 0,8 cm.  

Arquímedes nos enseñó que:

"Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado"

Y cuando se da la condición de equilibrio/flotabilidad se puede deducir que el peso del volumen del líquido desalojado por un cuerpo  es igual al peso del cuerpo. Dicho de otra manera, si averiguamos ese empuje vertical podemos calcular el peso del cuerpo… y si de un cuerpo sabemos su volumen y su peso podemos calcular su densidad.

  • ¿Cuánta agua se desplazó? Es decir, ¿Qué volumen de agua se desplazó? Es igual al volumen de la parte sumergida del cubo de hielo = 10 cm x 10 cm x 9,2 cm= 920 cm3
  • ¿Cuánto pesa esa agua? Como ya sabemos que la densidad del agua es 1 g/cm3, el  peso del volumen del agua desalojada será = 920 cm3 x 1 g/cm3 = 920 g  

Entonces, si pudimos averiguar "El peso del volumen del líquido desalojado" también ya sabemos que el peso total del cubo de hielo será también de 920 g

Y como también ya conocemos el volumen del cubo de hielo (1.000 cm3) podremos calcular su densidad:

densidadhielo = Mhielo/Vhielo = 920 g /1.000 cm3 = 0,92 g/cm3

Al ser una densidad menor a 1, el cuerpo flota.

Nota: la densidad del hielo en un iceberg es algo mayor debido a la compresión interna creada por ser una gran masa.

Resumen

Empujeagua = Pesoagua desalojada

Densidadmar * Volumensumergido  * g = Densidadhielo * Vhielo * g

Volumensumergido  /  Vhielo  = Densidadhielo /  Densidadmar = 0,92 / 1

Para ser más exactos… en el agua de mar la relación sería 0,92 / 1,03 = 0,89

Volumensumergido  /  Vhielo  = 0,89

Un 89% del hielo estará sumergido y un 11% estará por sobre el agua.

 

Particularidad del agua

Los elementos pueden estar en tres estados: gas, líquido y sólido. Un elemento pasa por los tres estados en diferentes situaciones de presión y temperatura. La densidad de un mismo elemento aumenta a medida que pasa de gas a líquido y de líquido a sólido.Y generalmente se cumple que a menor temperatura mayor es la densidad… pero en el agua sucede algo particular al disminuir la temperatura, su densidad, como es de esperar, aumenta pero al bajar de 4 grados deja de aumentar su densidad y comienza a disminuir; al llegar a 0 grados se comienzan a formar los cristales de hielo que convertirán el agua en un sólido… un sólido menos denso que su líquido!

Comparación con otros cuerpos

Si repetimos este experimento pero en lugar de un cubo de hielo utilizamos un cubo de corcho de 1 dm3 veremos que la parte que sobresale del agua es de 7,5 cm!! y la parte sumergida es de 2,5 cm.

¿Cuál es la densidad de ese corcho? ¿Cuánto pesa?

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