لماذا يطفو الثلج على سطح الماء بينما تغرق أشياء أخرى؟

قد تتساءل وأنت تراقب مكعبات الثلج تطفو على سطح كوب العصير: لماذا لا تغرق مثلما تغرق الحجارة أو المسامير؟ هذا السؤال البسيط يقودنا إلى عالم عجيب من أسرار الفيزياء والكيمياء. يعتقد البعض أن الوزن هو العامل الحاسم، لكن الواقع أن كثافة المادة وترتيب جزيئاتها هما ما يحددان ما إذا كانت ستطفو أو تغرق. فلنستكشف معاً هذا العالم الرائع ونكتشف سر طفو الثلج.

كيف تتغير كثافة الماء عندما يتجمد؟

الماء سائل مميز للغاية؛ عندما يبرد تقل حركة جزيئاته فيقترب بعضها من بعض فتزداد كثافته، وهذا ما يحدث لأي سائل قريباً. لكن بمجرد أن يصل الماء إلى درجة تجمده، تحدث معجزة صغيرة: تتشكل روابط هيدروجينية ثابتة بين الجزيئات، فتترتب في بنية سداسية تشبه خلايا العسل. هذا الترتيب يجعل الجزيئات متباعدة نسبياً، ما يخلق فراغات صغيرة ويؤدي إلى انخفاض الكثافة العامة للجليد مقارنة بالماء السائل. نتيجة لذلك يصبح الثلج أقل كثافة من الماء، فيطفو على السطح؛ فالكثافة هي الكتلة مقسومة على الحجم، وكلما كان الحجم كبيراً بالنسبة للكتلة انخفضت الكثافة.

القانون الذي يفسر الطفو يسمى «قانون أرخميدس»، وينص على أن أي جسم مغمور في سائل يتعرض لقوة دفع لأعلى تساوي وزن السائل المزاح. عندما تغمر حجراً في الماء، يزيح كمية معينة من الماء، لكن وزنه يفوق قوة الدفع فيغرق. أما مكعب الثلج فيزيح كمية من الماء وزنها أكبر أو مساوية لوزنه بسبب كثافته المنخفضة، ولذلك يتوازن بين القوة الدافعة ووزنه ويظل طافياً. إذا وضعت مكعبات الثلج في ماء مالح، ستلاحظ أنها تغوص أكثر قليلاً لأن كثافة الماء المالح أعلى، وعندها تكون قوة الدفع أقل نسبياً.

أهمية طفو الثلج للحياة على الأرض

يبدو طفو الثلج ظاهرة بسيطة، لكنه عامل حيوي لاستمرارية الحياة على كوكبنا. عندما تتجمد البحيرات والأنهار في الشتاء، يتشكل الجليد على السطح ويبقى الماء تحت السطح سائلاً. هذا الغطاء الجليدي يعزل المياه السفلية ويحمي الكائنات المائية من التجمد الكامل، ما يسمح للأسماك والنباتات بالبقاء على قيد الحياة خلال الشتاء القاسي. لو كان الثلج يغرق، لتجمدت المسطحات المائية من القاع إلى السطح مما يؤدي إلى هلاك الحياة المائية.

كما أن هذه الخاصية تساعد على استقرار المناخ العالمي. الثلوج والأنهار الجليدية تعكس جزءًا كبيراً من أشعة الشمس، ما يقلل من امتصاص الحرارة ويؤثر على أنماط الطقس. من ناحية أخرى، عندما يذوب الجليد، يطلق كميات هائلة من المياه العذبة في المحيطات، مما يساهم في دورة المياه على الأرض. تخيل لو كانت مكعبات الثلج تغرق، لكانت العملية مختلفة تماماً وربما غير مواتية للحياة.

من الأمثلة الأخرى على تأثير الكثافة تركيب الثلج الرقيق الذي نراه يتساقط كثلوج. هذه البلورات الخفيفة تظل معلقة لبعض الوقت قبل أن تهبط ببطء. كذلك، تختلف كثافة المواد الأخرى مثل الخشب أو الزيت مقارنة بالماء، لذا نجدها تطفو. بينما يغرق الحديد أو الزجاج لأن كثافتهما أعلى. هذه المفاهيم البسيطة يمكن أن تثير شغف الطفل بالعلوم وتشجعه على طرح المزيد من الأسئلة واكتشاف الإجابات.

إدراك الطفل لأسباب طفو الثلج يفتح أمامه باباً لفهم أساسيات الفيزياء، مثل العلاقات بين الكتلة والحجم والكثافة، وكيف تحدد هذه العوامل سلوك المواد. كما يعلمه التفكير العلمي: مراقبة الظاهرة، طرح الأسئلة، ثم البحث عن التفسير باستخدام التجربة والقوانين العلمية. ومع كل إجابة، تنمو رغبة الطفل في طرح سؤال جديد، وبذلك يستمر التعلم مدى الحياة.