Załóżmy, że włożysz kostkę lodu do wody, a wtedy będzie unosić się w około 92% pod wodą. Pokazuje to poniższy diagram (a):

Ale teraz przypuśćmy, że nadam swojej kostce lodu inny kształt. Mam zamiar uformować go jak dysk z otworem wyciętym pośrodku, albo możesz opisać go jako spłaszczony pączek. Kiedy wrzucę do wody moją dziwnie ukształtowaną kostkę lodu, będzie ona również pływać, a około 92% jej będzie pod wodą. Pokazuje to poniższy diagram (b):

Ale (b) to tylko twoje zamarznięte jezioro z dziurą. Więc jeśli wycinasz dziurę w lodzie na zamarzniętym jeziorze, powinieneś spodziewać się, że woda wypłynie na 92% grubości lodu, czyli powinieneś pozostać z wargą około 8% grubości lodu.

Zarzutem do mojego argumentu jest to, że w (b) lód nie jest zamarznięty po bokach miski, podczas gdy w jeziorze pokrywa lodowa jest zamarznięta do brzegu jeziora. Jednak lód jest dość elastyczny i na dużej odległości, podobnie jak jezioro, będzie się zginał i zachowywał tak, jakby swobodnie unosił się i nie był połączony z brzegiem. Jeśli weźmiesz jakiś mały pojemnik, taki jak beczka po oleju lub wanna, z zamarzniętą powierzchnią po bokach, i wyciąć dziurę w lodzie, woda nie wypłynie tak daleko.

Nie sądzę, żeby wyjaśnienie Johna było wystarczające. Jeśli 3 stopy (90 cm) lodu unosi się na wodzie, powinien pozostawić około 7 cm szczeliny (według liczby 92%) - to nie to, co zostało opisane w pytaniu, które było „na tym samym poziomie co powierzchnia lód". Ale myślę, że istnieje inne wytłumaczenie.

Poziom wody w zbiornikach naturalnych wód podlega zmianom, ale kiedy lód na jeziorze stwardnieje (uważam, że 3 stopy „stały”), nie będzie się poruszał . Teraz wyobraź sobie, że rzeka zasilająca jezioro dostarcza więcej wody. Dokąd to zmierza? Pod lodem nie ma wolnej przestrzeni - musiałby więc przejść od góry. Robiąc to, ciśnienie łączącego korpusu wyrówna się ze szczytem lodu - dokładnie tak powiedział przyjaciel.

Więc obraz jest naprawdę taki:

U góry woda jest ciekła. Na drugim zdjęciu tworzy się lód - unosi się jak zwykle i znajduje się około 8% nad powierzchnią jeziora. Na trzecim zdjęciu zewnętrzny poziom wody lekko się podnosi. Wierzchołek lodu (który jest przyczepiony do boków) jest zalany, a woda zamarznie. Na ostatnim zdjęciu ciśnienie wody pod lodem jest teraz większe niż atmosferyczne. A jeśli wytniesz dziurę, woda podniesie się do poziomu szczytu. Ponieważ jeśli w lodzie jest jakakolwiek szczelina, ciśnienie większe niż to byłoby uwolnione, dopóki nie było dokładnie atmosferyczne.

Kilka mechanizmów, które mogą powodować wzrost ciśnienia, obejmuje rozkład materii organicznej lub fotosyntezę ( z których każdy będzie generował kieszenie powietrzne, które nie mogą się wydostać - zwiększą ciśnienie na wodę), podziemne studnie lub, jak wspomniałem wcześniej, zaopatrzenie w wodę naturalną (spływ, rzeki) z połączonych dróg wodnych.

Jeśli chodzi o pytanie „lód porusza się, ponieważ ludzie na nim stoją”: nawet niewielkie przemieszczenie lodu (powiedzmy z powodu ciężaru ludzi) z uszczelnioną pokrywą lodową (bez dziur) spowodowałoby, że woda wznieść się do dziury - nie ma dokąd pójść. Można jednak argumentować, że tak mały wzrost poziomu wody prowadziłby do znacznych skutków wyporu na lodzie (ze względu na duży obszar dotknięty małą zmianą ciśnienia). Dwie osoby i ich skuter śnieżny ~ 400 kg. 7 cm wody = 7 $ g / cm ^ 2 $. Jeśli obszar lądolodu, który ugina się pod ciężarem, ma promień 10 m (pamiętaj, że ma prawie 1 m grubości ... tak bardzo sztywny), poziom wody podniósłby się (pracując w cgs, $ \ rho = 1 g / cm ^ 3 $): 400 000 $ g / (\ pi \ cdot (1000 cm) ^ 2 \ cdot 1 g / cm ^ 3) = 0,1 cm $ - znikoma ilość na 7 cm w efekcie zapobiegająca temu przemieszczeniu. Dlatego jestem prawie pewien, że tylko mechanizmy zmieniające ilość cieczy / gazu pod lodem mogą powodować tę zmianę, to ciśnienie statyczne - podczas gdy sam lód można uznać za nieruchomy.

Kluczem jest że tak długo, jak istnieją czynniki, które zwiększają ciśnienie, zawsze wyrówna się ono z powierzchnią lodu, ponieważ jest mało prawdopodobne, aby pokrywa lodowa była idealnym uszczelnieniem, a wyciek spowoduje jedynie niewielkie przesunięcie (powiększenie) powierzchni lodu.

postscript

W komentarzach pojawiło się ważne pytanie, czy siły działające na lód nie byłyby tak duże, aby oderwały się od brzegu - lub zginać. Przyjrzyjmy się każdemu z tych dwóch po kolei.

Zakładając okrągłe jezioro o promieniu $ R $, jaka jest siła na jednostkę długości na brzegu, jeśli warstwa lodu o grubości 3 stóp ma nadciśnienie pod spodem wystarczające sprawić, by woda podniosła się do wargi? Dla różnicy gęstości $ \ Delta \ rho $ i grubości lodu $ t $, nadciśnienie (siła na jednostkę powierzchni) będzie wynosić

$$ P = \ Delta \ rho \ cdot t \ cdot g $$

Dla jeziora o promieniu $ R $, powierzchni $ \ pi R ^ 2 $ i obwodzie $ 2 \ pi R $, oznacza to siłę na jednostkę długości linii brzegowej wynoszącą

$$ F = \ frac {P \ cdot A} {2 \ pi R} = \ frac12 \ Delta \ rho \ cdot t \ cdot g \ R $$

Z $ \ Delta \ rho = 66 kg / m ^ 3, t = 0,9 m, R = 100 m $ znajdujemy $ F = 29 kN $. To dość duża siła - dyskusyjne jest, czy wystarczyłoby odciągnąć lód od brzegu. Prawdopodobnie zależy to od kształtu brzegu i rodzaju „zakotwiczenia” (roślinność itp.).

Przyjrzyjmy się teraz naprężeniom zginającym i zobaczmy, jakiego rodzaju ugięcie ma 3-metrowy arkusz lód przeszedłby:

Moduł Younga lodu wynosi około 10 GPa (średnia z kilku wartości znalezionych w Internecie). Wiemy już, że wypór lodu (ze względu na mniejszą gęstość) oznacza, że ​​nadciśnienie będzie równe 7 cm słupie wody, czyli 7 gram / cm ^ 2.

Zgodnie z tą przydatną tabelą, ugięcie $ y $ w środku swobodnie podpartej okrągłej płyty o grubości $ t $ i promieniu $ R $, podtrzymującej ciśnienie $ p $ z modułem Younga $ E $ wynosi

$$ y = \ frac {0.696PR ^ 4} {Et ^ 3} $$

Podstawiając liczby dla tego problemu, znajdź

$$ y = \ frac {0.696 \ cdot 66 \ cdot 0.9 \ cdot 9.8 \ cdot 100 ^ 4} {10 ^ {10} \ cdot 0.9 ^ 3} = 0,55 m $$

Innymi słowy, siła wyporu byłaby wystarczająca do podniesienia lodu o pełne pół metra - to jest siła tego członu R ^ 4 $. Oczywiście dla mniejszego jeziora powyższe rozwiązanie by się nie spełniło, ale pokazuje, że dla jezior o promieniu większym niż 50 m centralne ugięcie wynosi> 5 cm, co sprawia, że ​​argument „lód jest bardzo sztywny i nie zgina się” jest nieprawdziwy.

Oznacza to również, że argument "woda podnosi się do poziomu lodu z powodu nadciśnienia pod lodem" może być prawdziwy tylko dla małych jezior z grubym lodem ($ \ frac {R ^ 2} {t } < 1500 \ text {m} $ za odchylenie < 1 cm). Nie znając wymiarów lodu, który obserwował Rob, nie wiem, czy mogę powiedzieć więcej na ten temat.

Dzieje się tak, ponieważ na lodzie stoi grupa ludzi, patrząc na dziurę. Pływasz po lodzie z ludźmi i samochodami, a nie zwykłym lodem.

Pytanie nie jest niestety jasno określone; Nie potrafię powiedzieć, czy byłeś zaskoczony tym, że woda w ogóle podnosi się w otworze (w przeciwieństwie do pozostawania na poziomie dna lodu), czy też tym, że podnosi się aż do szczyt lodu (jak stwierdza pytanie). Przyjmując odpowiedź, która wyjaśnia, że ​​woda nie powinna podnosić się do poziomu lodu , ale powinna pozostać 8% grubości lodu poniżej tego poziomu, czyli około 7 cm i powinna być dobrze widoczna, pozostawiasz wątpliwość, czy rzeczywiście widziałeś wodę podnoszącą się na całą drogę do poziomu lodu, czy po prostu stwierdziłeś tak niedbale w pytaniu, widząc, jak podnosiła się tylko w części .

Chciałbym jednak uzupełnić odpowiedź Jasmine, która próbuje wyjaśnić, dlaczego woda może podnieść się powyżej 92% długości otworu. To, czy mogłoby to wyjaśnić, że podnosi się aż do poziomu lodu, zależy od skomplikowanych obliczeń, dla których brakuje wielu niezbędnych danych, więc nie mogę powiedzieć; jednak nie wygląda to na bardzo prawdopodobne.

Pewne jest to, że z dala od dziury ciśnienie hydrostatyczne na granicy wody z lodem (na dnie pokrywy lodowej) jest dokładnie tym, co jest konieczne do podtrzymania ciężar lodu nad nim (różnica między tym ciśnieniem hydrostatycznym a ciśnieniem atmosferycznym na szczycie pokrywy lodowej zapewnia siłę skierowaną do góry równą wielkości i przeciwną do tej wagi). Gdyby tak nie było, pokrywa lodowa po prostu przesunęłaby się nieznacznie w górę lub w dół (co wpływa na ciśnienie hydrostatyczne), aż do przywrócenia równowagi. Idea, że ​​sztywność lodu zapewniłaby również siłę skierowaną ku górze, zdolną do podtrzymania lądolodu, jest błędna, co można zobaczyć, gdy woda może wypływać z jeziora; nawet gruba pokrywa lodowa okazuje się wtedy dość odkształcalna.

Więc jeśli wyobrazimy sobie małą dziurę w lodzie, woda w niej podniesie się do poziomu, na którym kolumna wody waży tyle samo, co podobna kolumna lodu (wysokość tego ostatniego jest grubością pokrywa śnieżna). Oznacza to, że wysokość słupa wody stanowi 92% grubości lądolodu, a woda nie dociera do szczytu lądolodu. Możemy sobie wyobrazić, że lądolód „wypiera” tyle wody, ile wynosi wysokość takiego słupa wody, dzięki czemu obowiązuje prawo Archimedesa, ale szczerze mówiąc, sformułowanie tego prawa nie jest zbyt odpowiednie dla sytuacji całkowicie zamarzniętego jeziora. / p>

Ale powiedziałeś, że „jacyś faceci” wycinali dziurę, może niosąc jakiś ciężki sprzęt, a tam też musiał być ktoś, kto filmował, więc nie ma się dokładnie w sytuacji, w której znajduje się izolowana dziura w lodzie. Jak powiedziałem, lód jest dość elastyczny na dużą skalę, więc warstwa lodu może zostać lekko popchnięta w dół przez cały ten dodatkowy ciężar w pobliżu otworu. To nie spowoduje, że poziom wody w otworze zmieni się znacznie w sensie absolutnym (woda faktycznie wyparta przez lód z łatwością znajdzie dodatkową przestrzeń uwolnioną przez tak maleńkie podniesienie się pokrywy lodowej jeziora ), ale wraz z opadaniem samego otworu górna część lodu zbliża się do poziomu wody.

Łatwo jest powiedzieć, jak bardzo lód przemieszcza się w dół w kategoriach wypierania wody: zgodnie z prawem Archimedesa ciężar wypartej wody odpowiada ciężarowi umieszczonemu na lodzie. Poznanie odległości przemieszczenia jest znacznie trudniejsze, ponieważ zależy od kształtu przemieszczenia, który z kolei zależy od sztywności lodu. Dla przykładu, 1000 kg dodatkowego ciężaru (hojne oszacowanie) mogłoby przesunąć lód w dół o 5 cm na obszarze 20 $ \, $ m $ ^ 2 $, co byłoby dyskiem o promieniu około 2,5 m. Oczywiście rzeczywiste przemieszczenie jest bardziej zbliżone do kształtu soczewki, przemieszczając się bardzo mało w pobliżu krawędzi, a najbardziej blisko środka, ale można oszacować rząd wielkości zjawiska. To, czy pokrywa lodowa o długości 90 cm byłaby wystarczająco elastyczna, aby umożliwić tak dużą głębokość odkształcenia w tak małej skali (w przeciwieństwie do mniejszej głębokości na większym obszarze), jest pytaniem, na które nie jestem w stanie odpowiedzieć, sądzę, że odpowiedź brzmi: nie.