Waarom drijft een ijsklontje?

Een ijsklontje drijft in water. Dat weet iedereen. Maar heb je je ooit afgevraagd waarom dat zo is? Het lijkt een eenvoudige vraag, maar het juiste antwoord is nog best ingewikkeld. Een eenvoudig antwoord op de vraag zou zijn: “Omdat een ijsklontje lichter is dan water”. Het volledige antwoord is echter: “Omdat een ijsklontje een opwaartse kracht ondervindt die gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof en de soortelijke massa van ijs lager is dan water”. Juist, ja.

Is ijs lichter dan water?

Water heeft de bijzondere eigenschap dat het uitzet als het bevriest. Door bevriezing wordt het water niet lichter, maar wordt het volume groter. In de natuurkunde wordt dan gezegd dat de dichtheid of soortelijke massa afneemt. Dit betekent dat het totale gewicht niet afneemt, maar wel het gewicht per liter.

Voorbeeld:

1.000 liter water weegt ongeveer zo’n 1.000 kilo. Als je deze hoeveelheid water bevriest dan zal het volume toenemen naar ongeveer 1.100 liter. Het gewicht is en blijft echter 1.000 kilo.

Dichtheid of soortelijke massa

Om het gewicht in verhouding met volume uit te drukken, wordt in de natuurkunde gebruik gemaakt van de termen “dichtheid” of “soortelijke massa”. Deze eenheid wordt uitgedrukt in kilogram per kubieke meter (kg/m3). Zo is de soortelijke massa van water 1.000 en van ijs is de soortelijke massa 920. Met andere woorden: 1.000 liter water, weegt 1.000 kilo. Een ijsklontje van 1.000 liter, weegt 920 kilo. Als we uitgaan van een gelijk volume (bijvoorbeeld 1.000 liter) dan is ijs dus lichter dan water.

Lichte materialen drijven

Alles wat lichter is dan water, zal drijven in water. Met andere woorden: als de soortelijke massa van een materiaal lager is dan 1.000 dan blijft het materiaal drijven in water. Op zich is deze theorie juist. Kurk heeft bijvoorbeeld een soortelijke massa van 160 tot 250. Kurk is dus veel lichter dan water en blijft daarom ook uitstekend drijven. Baksteen heeft bijvoorbeeld een soortelijke massa van ongeveer 1.500 en is daardoor zo’n anderhalf keer zwaarder dan water. Baksteen zal daarom zinken “als een baksteen”. Hiermee is de vraag echter nog niet beantwoord, want waarom blijven lichte materialen dan drijven? Tot nu toe is alleen uitgelegd dat het zo is, maar niet waarom het zo is.

Opwaartse kracht

Onder water lijkt alles lichter. Dit komt doordat het water zorgt voor een opwaartse kracht. Je zou kunnen zeggen dat de zwaartekracht naar beneden drukt en de opwaartse kracht omhoog duwt. Als de opwaartse kracht het wint van de zwaartekracht dan zal een voorwerp drijven. Dit principe is ontdekt door de Griekse wiskundige Archimedes (287 v. Chr. – 212 v. Chr.).

De Wet van Archimedes

Archimedes heeft ontdekt dat de grootte van de opwaartse kracht te berekenen is. De opwaartse kracht is namelijk gelijk aan het gewicht van de vloeistof die verplaatst wordt door een voorwerp. Deze opwaartse kracht wordt ook wel de Archimedeskracht genoemd.

Voorbeeld 1:

Als je steen met een volume van 20 liter in het water houdt, zal deze steen 20 liter water verplaatsen. Volgens de Wet van Archimedes zal de steen daardoor een opwaartse kracht ondervinden van 20 kilo. Indien de steen 30 kilo weegt, zal de steen onder water aanvoelen als een steen van 10 kilo (massa minus opwaartse druk). De opwaartse druk (20 kilo) is echter niet voldoende om de steen (30 kilo) omhoog te duwen. De steen zal daarom zinken.

Voorbeeld 2:

Stel dat we een boomstam hebben met een volume van 100 liter en een gewicht van 70 kilo. Als we deze boomstam in het water leggen, zal er 70 kilo water verplaatst worden. De waterverplaatsing is immers gelijk aan het gewicht (massa) van het voorwerp. De waterverplaatsing (70 liter) is voldoende om de boomstam te laten drijven. Van het totale volume van de boomstam zal 70% onder water verdwijnen. De rest van de boomstam (30%) blijft boven water.

Dus…waarom drijft een ijsklontje?

De soortelijke massa van een ijsklontje is lager dan de soortelijke massa van water, omdat water uitzet bij bevriezing. Eenvoudig gezegd: een ijsklontje is lichter dan water. Hierdoor is de opwaartse kracht in water groter dan het gewicht van het ijsklontje en zal het ijsklontje blijven drijven. De soortelijke massa van een ijsklontje (920) is echter maar iets lager dan van water (1.000). Hierdoor zal een groot deel van het ijsklontje onder water verdwijnen. Alleen op die manier wordt er door het ijsklontje voldoende water verplaatst en zodoende voldoende opwaartse kracht gecreëerd. Vandaar ook de uitdrukking “het topje van de ijsberg”. Er steekt immers maar een klein stukje van een ijsberg boven water. Het grootste deel van de ijsberg zit altijd onder water.

Gevolgen van smeltende ijsklontjes

Met de Wet van Archimedes kunnen we tevens beredeneren en wat er gebeurt met het niveau van een drankje in een glas als de ijsklontjes smelten. Er gebeurt helemaal niets met het niveau. De plek die het ijsklontje inneemt in de drank is immers gelijk aan de massa van het gehele ijsklontje. Als het ijsblokje smelt dan zal al het “smeltwater” precies passen in de ruimte die eerder door het ijsklontje werd ingenomen. Je glas kan daarom nooit overstromen als de ijsklontjes smelten.