Quando viene messo in acqua, un oggetto affonda al punto in cui il volume d'acqua che sposta ha lo stesso peso dell'oggetto. Archimede è stato colui che l'ha scoperto.

Quando metti il ​​piombo nell'acqua, il peso del piombo è molto maggiore di quello dello stesso volume d'acqua. Quindi affonda fino in fondo. Poiché il ghiaccio pesa solo circa il 90% del suo volume d'acqua, il 90% del ghiaccio sarà sott'acqua, il resto sopra. La cifra effettiva è del 91,7%, data dal peso specifico dell'acqua (0,9998) e del ghiaccio (0,9168) a 0 ° C.

In realtà, nel caso del piombo, se l'acqua fosse abbastanza profonda, il piombo affonderebbe al punto in cui il suo peso è uguale a quello dell'acqua in pressione in profondità. Poiché il piombo si comprimerà così come l'acqua, ciò potrebbe non accadere mai, ma per altri oggetti e / o fluidi potrebbe.

Questo è anche il motivo per cui i palloncini pieni di elio galleggiano: il loro peso è inferiore a quello dello stesso volume d'aria. Mentre galleggiano, il pallone si espande, mentre l'aria diventa più rara e quindi più leggera. Ad una certa quota i due saranno uguali e il pallone smetterà di salire.

Mi piace rispondere reinterpretando la tua domanda: se ti aspetti che il ghiaccio sia completamente sopra l'acqua perché il ghiaccio è meno denso dell'acqua (come indicato nell'immagine a sinistra), allora ti aspetteresti che il ghiaccio sia completamente al di sottoaria perché il ghiaccio è più denso dell'aria (affinché ciò sia vero, pensa di spingere il tuo cubetto di ghiaccio nell'acqua in modo che la sua superficie superiore sia a livello della superficie dell'acqua).Entrambi non sono possibili contemporaneamente, ovviamente.Quindi vedi che il tuo ragionamento non ti dà una soluzione ben definita, e quindi il tuo ragionamento (non dovrebbe stare completamente sull'acqua?) Deve essere falso.

Penso che la vera domanda che ti stai ponendo qui sia: perché i fluidi meno densi stanno completamente al di sopra dei fluidi più densi, mentre i solidi meno densi affondano in parte?

Se il ghiaccio coprisse la stessa area dell'acqua sottostante, rimarrebbe completamente sopra l'acqua. Questo è il caso di uno stagno completamente ricoperto di ghiaccio.
Ma poiché il ghiaccio ha un peso non trascurabile, la superficie dell'acqua ghiacciata ha una pressione superiore a quella atmosferica: questo è ciò che impedisce allo strato di ghiaccio di affondare. Tuttavia, se c'è uno spazio nella copertura di ghiaccio, la pressione in eccesso spingerà l'acqua verso l'alto fino a quando la sua stessa pressione idrostatica non la compenserà. In particolare, se la maggior parte della superficie non è ricoperta di ghiaccio, ci sarà molta acqua che sale sopra il fondo del ghiaccio. Questo è descritto in modo più sensato al contrario: il ghiaccio affonda in qualche modo nell'acqua .

Ora, questo ti dà uno stato che non è del tutto ottimale, energeticamente: ci sono porzioni di acqua che si trovano più in alto delle porzioni di ghiaccio. Se potessi scambiare queste parti, otterrai uno stato più stabile.

Il limite di questo processo è uno stato in cui tutto il ghiaccio si trova sopra l'acqua. Tuttavia, poiché il ghiaccio è solido, non puoi farlo senza tagliare / rompere pezzi di ghiaccio.

Nel caso di due fluidi di diversa densità, è tuttavia facilmente possibile spostare parti del materiale più leggero intorno, e poiché è energeticamente favorevole ciò avverrà in realtà automaticamente.

La differenza tra l'immagine dei liquidi tutti ben stratificati uno sopra l'altro e un cubetto di ghiaccio nell'acqua è che i liquidi possono cambiare la loro forma per adattarsi alla forma del contenitore mentre il ghiaccio no. Se il ghiaccio potesse cambiare forma e scorrere per riempire il contenitore, vedresti esattamente cosa prevede la tua intuizione: il ghiaccio si trova completamente sopra l'acqua. In effetti, se visualizzi un lago ghiacciato, è esattamente quello che ottieni! Tuttavia, il tuo cubetto di ghiaccio non può fluire così. Quindi, invece, segue il principio di Archimede, come altri hanno suggerito, e "sposta" una quantità d'acqua pari alla sua massa. Poiché è meno denso dell'acqua, quella quantità di spostamento farà riposare il cubetto di ghiaccio parzialmente sommerso.

Per quanto riguarda le biglie che tremano verso l'alto, è leggermente diverso. È lo stesso principio, solo con una svolta. Nel caso del contenitore delle biglie che viene agitato, è un processo stocastico. L'aspettativa statistica è che la scossa media farà salire gli oggetti meno densi verso l'alto e gli oggetti più densi affonderanno. Tuttavia, raramente le scuotiamo abbastanza da separare completamente le biglie in strati croccanti distinti. Confronta questo con i liquidi. La custodia equivalente per un liquido sarebbe tante, tante piccole biglie, e le scuoti continuamente molto velocemente. Naturalmente, vediamo più stratificazione nei liquidi che nei solidi, semplicemente per questo.

Nota: c'è anche un secondo effetto nel caso delle biglie. L'esempio precedente si verifica solo se ogni oggetto è della stessa dimensione. Nel caso dei mezzi misti (come un contenitore di noci miste), questo effetto è oscurato da un altro effetto. Gli oggetti piccoli possono accumularsi sotto quelli grandi, quindi in generale quelli grandi (come le noci di macadamia) salgono in cima.

Anche in questo caso, con un effetto più marcato della densità, non vediamo una perfetta stratificazione della frutta secca mista.Ce ne sono sempre un piccolo numero che non sono al "posto giusto", come una nocciolina che riesce a essere gettata in cima a un mare di noci.Quindi, quando si confrontano tre casi, i liquidi stratificati, il ghiaccio sull'acqua e il contenitore delle biglie, in realtà non si vedono i liquidi stratificati e le biglie "che si comportano allo stesso modo" e il ghiaccio che si comporta in modo strano.Si vede davvero che i liquidi sono più stratificati, quindi il ghiaccio sull'acqua, e le biglie in realtà forniscono la minima stratificazione dei tre esempi.Se la tua intuizione ti dice il contrario, ciò potrebbe suggerire che la tua intuizione tiene conto di alcuni di questi fattori casuali per te e distorce i tuoi risultati.

Cercherò di spiegarlo usando un po 'di matematica. Facciamo un cubetto di ghiaccio che galleggia nell'acqua.Sia la densità dell'acqua $ \ rho_1 $ e quella del ghiaccio $ \ rho_2 $.Lascia che il volume del cubetto di ghiaccio sia $ v $.Lascia che il volume sommerso sia $ v '$.Se consideri le forze sul blocco di ghiaccio: $$ \ rho_2 \ cdot v \ cdot g = \ rho_1 \ cdot v ^ \ prime \ cdot g $$ Annullando g da entrambi i lati, $$ \ rho_2 \ cdot v = \ rho_1 \ cdot v ^ \ prime $$ Adesso, $$ v ^ \ prime / v = \ rho_2 / \ rho_1 $$ Chiaramente, $ \ rho_2 < \ rho_1 $.Questo significa, $$ \ begin {align} v ^ \ prime / v &< 1 \\ \ implica ~~~~~~ v ^ \ prime & < v \ end {align} $$

Ciò significa che il volume sommerso (v ') è inferiore al volume totale del cubo.Ciò significa anche che il cubo non si immergerà completamente nell'acqua, a condizione che non venga applicata alcuna forza esterna.

Già molte buone risposte, ma penso che questo sia il tipo di risposta intuitiva che stai cercando:

Comprendi che le "informazioni" che l'acqua deve "conoscere" affinché si verifichi questo comportamento sono not, la densità del ghiaccio. In altre parole, l'acqua che sostiene il ghiaccio non "conosce" la densità del ghiaccio sopra . Non pensa, "Oooh, questo è un solido non denso! Lo spingerò fino in fondo !!" Piuttosto, l'acqua sente solo il peso dell'oggetto.

Sembra sciocco finché non ti rendi conto che trasmette il punto cruciale: se prendi la parte del ghiaccio che non tocca l'acqua (che è praticamente tutto tranne le molecole sulla superficie sommersa ) e sostituirlo con un altro materiale di uguale peso e baricentro ma densità diversa, quindi, intuitivamente, nulla dovrebbe cambiare - anche se la densità dell'oggetto è più alta ora .

Questa intuizione dovrebbe dirti che bassa densità non è né necessaria né sufficiente per il galleggiamento . Piuttosto, è solo necessario impedire la immersione completa , cosa che ovviamente il ghiaccio non sta facendo. Il modo di galleggiare effettivamente di un oggetto dipenderà da altri fattori, come la forma dell'oggetto, il suo centro di gravità e il modo in cui è stato inizialmente immerso nell'acqua.

Spero che questo risolva il problema per te!

Le persone hanno risposto in base al bilanciamento delle forze, ma c'è una risposta equivalente (e, a mio parere, più soddisfacente) basata sul risparmio energetico.

Supponi che il cubetto di ghiaccio si trovi inizialmente solo sulla superficie dell'acqua. Se lo si abbassa un po 'nell'acqua, un po' d'acqua sarà costretta a salire, aumentando l'energia potenziale gravitazionale. Ma l ' intero cubetto di ghiaccio si sposterà verso il basso, diminuendo notevolmente l'energia. Quindi la configurazione di energia minima ha sempre l'oggetto che affonda nell'acqua almeno un po '.

Nota che questo argomento non si applica a due fluidi, dove la configurazione di equilibrio ha davvero il fluido più leggero in cima. Perché? Considera l'idea di spostare un cubo del liquido più leggero verso il basso. Gli stessi argomenti precedenti valgono, tranne per il fatto che quando il fluido più pesante si alza, anche tutto il fluido più leggero è costretto a salire. Quindi la configurazione completamente separata ha davvero energia minima.

Nell'esempio del cubetto di ghiaccio, il "fluido più leggero" che viene spinto verso l'alto è l'aria, non il ghiaccio. Poiché l'aria è molto più leggera dell'acqua, il cubetto di ghiaccio affonda.

Direi che ciò che viene mostrato nella tua seconda immagine su tre, in cui il pezzo di ghiaccio si trova sopra l'acqua, è staticamente impossibile perché la pressione sulla superficie dell'acqua sotto il ghiaccio è maggiore della pressione sulla superficie dell'acquatra il ghiaccio e le pareti del contenitore, così l'acqua viene schiacciata tra le pareti e il ghiaccio.D'altra parte, se il ghiaccio si adatta perfettamente al contenitore, potrebbe "galleggiare" sull'acqua.