У тому, що лід плаває на воді, ніхто не сумнівається; кожен це бачив сотні раз і на ставку, і на річці.
Але чи багато хто замислювалися над таким питанням: чи всі тверді речовини поводяться так само, як лід, тобто плавають в рідинах, що утворилися при їх плавленні?
Розплавте в банку парафін або віск і киньте в цю рідину ще шматочок того ж твердого речовини, він негайно ж потоне. Те ж відбудеться і зі свинцем. і з оловом, і з багатьма іншими речовинами. Виявляється, як правило, тверді тіла завжди тонуть в рідинах, які утворюються при їх плавленні.
Звертаючись найчастіше з водою, ми так звикли до зворотного явища, що нерідко забуваємо це характерне для всіх інших речовин властивість. Треба пам'ятати, що вода в цьому відношенні представляє рідкісний виняток. Тільки метал вісмут і чавун поводяться так само, як і вода.
Якби лід був важчим за воду і не утримувався б на її поверхні, а тонув, то навіть в глибоких водоймах вода замерзала б взимку цілком. У самому: справі, що падає на дно ставка лід витісняв б нижні шари води вгору, і це відбувалося б до тих пір, поки вся вода не перетворилася в лід.
Однак при замерзанні води відбувається зовсім протилежна картина. У той момент, коли вода перетворюється в лід, обсяг її раптово збільшується приблизно на 10 відсотків, і лід виявляється менш щільним, ніж вода. Тому-то він і плаває у воді, як плаває будь-яке тіло в рідині, що має велику щільність: залізний цвях в ртуті, пробка в маслі і т. Д. Якщо вважати щільність води дорівнює одиниці, то щільність льоду становитиме лише 0,91. Ця цифра дозволяє нам дізнатися товщину пливе по воді крижини. Якщо висота крижини над водою дорівнює, наприклад, 2 сантиметрам, то ми можемо зробити висновок, що підводний шар криги в 9 разів товщі, тобто дорівнює 18 сантиметрам, а вся крижина має 20 сантиметрів товщини.
У морях і океанах зустрічаються іноді величезні крижані гори - айсберги (рис. 4). Це сповзли з полярних гір і Віднесені перебігом і вітром у відкрите море льодовики. Висота їх може досягати 200 метрів, а обсяг - кількох мільйонів кубічних метрів. Дев'ять десятих всієї маси айсберга заховані під водою. Тому зустріч з ним дуже небезпечна. Якщо судно вчасно не помітить, що рухається крижаного гіганта, воно може при зіткненні отримати серйозні пошкодження або навіть загинути.
Раптове збільшення обсягу при переході рідкої коди в лід являє важливу особливість води. З цією особливістю доводиться часто рахуватися в практичному житті. Якщо залишити бочку з водою на морозі, то вода, замерзнувши, розірве бочку. З цієї ж причини не можна залишати воду в радіаторі автомобіля, що стоїть в холодному гаражі. У сильні морози потрібно побоюватися найменшої перерви в подачі гарячої води по трубах водяного опалення: вода, яка зупинилася в зовнішній трубі, може швидко замерзнути, і тоді труба лопне.
Замерзаючи в тріщинах скель, вода нерідко є причиною гірських обвалів.
Розглянемо тепер один досвід, який має пряме відношення до розширення води при нагріванні. Постановка цього досвіду вимагає спеціального устаткування, і навряд чи хто з читачів може його відтворити в домашній обстановці. Та це й не є необхідністю; досвід легко собі уявити, а його результати ми маємо підтвердити на добре знайомих для кожного прикладах.
Візьмемо дуже міцний металевий, найкраще сталевий циліндр (рис. 5), насиплемо на дно його трохи дробу, наповнимо водою, зміцнимо кришку болтами і станемо повертати гвинт. Так як вода стискається дуже мало, то довго крутити гвинт не доведеться. Вже після декількох оборотів тиск всередині циліндра піднімається до сотень атмосфер. Якщо тепер циліндр охолодити навіть на 2-3 градуси нижче нуля, то вода в ньому не замерзне. Але як в цьому переконатися? Якщо відкрити циліндр, то при такій температурі і атмосферному тиску вода моментально перетвориться в лід, і ми не будемо знати, чи була вона рідкою або твердою, коли перебувала під тиском. Тут нам допоможуть насипані дробинки. Коли циліндр Остужев, перевернемо його догори дном. Якщо вода замерзла, дріб буде лежати на дні, а то й замерзла, дріб збереться у кришки. Відкрутимо гвинт. Тиск впаде, і вода обов'язково замерзне. Знявши кришку, ми переконуємося, що вся дріб зібралася близько кришки. Значить, дійсно вода, що знаходиться під тиском, що не замерзала при температурі нижче нуля.
Досвід показує, що температура замерзання води зі збільшенням тиску знижується приблизно на один градус на кожні 130 атмосфер.
Якби ми стали будувати свої міркування на підставі спостережень над безліччю інших речовин, то повинні були б прийти до зворотного висновку. Тиск зазвичай допомагає рідин укріпляти: під тиском рідини замерзають при більш високій температурі, і дивуватися тут нема чому, якщо згадати, що більшість речовин при застиганні зменшується в об'ємі. Тиск викликає зменшення обсягу і цим полегшує перехід рідини в твердий стан. Вода ж при застиганні, як ми вже знаємо, не зменшується в об'ємі, а навпаки, розширюється. Тому-то тиск, перешкоджаючи розширенню води, знижує температуру її замерзання.
Відомо, що в океанах на великих глибинах температура води нижче нуля градусів, і тим не менше вода на цих глибинах не замерзає. Пояснюється це тиском, яке створюють верхні шари води. Шар води завтовшки в один кілометр тисне з силою близько ста атмосфер.
Будь вода нормальної рідиною, ми навряд чи б відчували задоволення від катання на ковзанах по льоду. Це було б те ж саме, що і катання по абсолютно гладкому склу. Ковзани не ковзають по склу. Зовсім інша справа на льоду. Кататися на ковзанах по льоду дуже легко. Чому? Під вагою нашого тіла тонке лезо коника виробляє на лід досить сильний тиск, і лід під коником тане; утворюється тонка плівка води, яка служить чудовою мастилом.