Sarà capitato a tutti di sorseggiare una bevanda con ghiaccio e di notare che i cubetti, anziché depositarsi sul fondo del bicchiere, rimanessero in superficie. Ma perché il ghiaccio galleggia? E quali sono le leggi secondo le quali, nonostante si presenti allo stato solido, non manifesta la tendenza a cadere verso il basso?

Le risposte a queste domande sono da ricercare nel comportamento dell'acqua e, in particolare, nella sua struttura chimica, che in natura rappresenta qualcosa di davvero unico. 

Indagare questo fenomeno, facendo luce sul perché il ghiaccio galleggia nell'acqua, permette inoltre di dare una risposta a molti dei quesiti che spesso sorgono quando si osservano alcuni eventi naturali. Infatti, osservando con consapevolezza il fenomeno su larga scala è possibile comprendere anche perché gli iceberg galleggiano nonostante le loro dimensioni.

Per spiegare al meglio questo meccanismo è necessario introdurre il concetto di densità dell'acqua, illustrando il particolare comportamento che questo valore manifesta per temperature che oscillano da 0 a 4 gradi C.

Nello specifico, al raggiungimento della temperatura di congelamento, ovvero a 0 gradi, il ghiaccio galleggia sull'acqua perché la sua densità, cioè la quantità di materia per unità di volume (d=m/V), anziché aumentare diminuisce, evitandogli quindi di affondare come invece accadrebbe a molti altri materiali solidi. Vediamo per quale ragione.

Il ghiaccio galleggia nell'acqua: perché?

Il ghiaccio galleggia perché l'acqua congelata, quindi allo stato solido, è meno densa che allo stato liquido. Un comportamento che potrebbe sembrare quasi in contrasto con quanto rilevato ogni giorno osservando in maniera empirica il comportamento di altri elementi, che in natura presentano in genere valori di densità maggiori allo stato solido. 

Il fenomeno, però, è del tutto naturale, così come si può notare considerando la particolare natura molecolare dell'acqua e guardando ad alcuni principi basilari della fisica e della chimica.

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Perché il ghiaccio galleggia sull'acqua: la parola alla fisica

Il comportamento del ghiaccio sull'acqua può essere spiegato dal Principio di Archimede, secondo il quale, "Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso di una massa di fluido di volume uguale a quella della parte immersa del corpo". 

Da un punto di vista prettamente matematico, si può dunque ridurre tutto a un equilibrio fra due forze:

  • La forza di Archimede o spinta idrostatica, diretta verso l'alto e calcolata moltiplicando la densità del fluido, l'accelerazione di gravità e il volume del corpo;
  • Il peso del volume di fluido spostato dalla parte immersa, analogamente calcolato moltiplicando la densità media del corpo, l'accelerazione di gravità e il volume. 

In base ai risultati, si creano tre condizioni, strettamente dipendenti dall'unico valore che muta nelle due formule, la densità. In particolare:

  • Se la densità del fluido e del corpo si equivalgono, lo stesso vale per la forza di Archimede e il peso, dunque il corpo resta in equilibrio;
  • Se la densità del fluido è minore di quella del corpo, la forza di Archimede sarà inferiore al peso e il corpo tenderà di conseguenza a raggiungere il fondo;
  • Se la densità del fluido è superiore a quella del corpo, la forza di Archimede sarà invece maggiore al peso e il corpo tenderà a galleggiare, come accade per esempio quando un cubetto di ghiaccio viene inserito in un certo quantitativo di acqua.

La densità del ghiaccio

La minore densità del ghiaccio rispetto all'acqua è la causa del fenomeno del galleggiamento, difatti i valori di densità di acqua e ghiaccio sono pari rispettivamente a 997 kg/m3 e a 916,8 kg/m3. Ma perché, contrariamente ad altre sostanze, l'acqua allo stato solido è più densa rispetto all'acqua allo stato liquido? 

Il fenomeno è dovuto alla particolare struttura chimica dell'acqua e, più nello specifico, ai legami che si formano con il congelamento, il cosiddetto legame idrogeno, in seguito al quale ogni atomo di ossigeno passa dal legarsi a quattro atomi di idrogeno, contro i due dello stato liquido, dando vita a molecole dalla struttura molto più ampia. 

Il volume dunque aumenta, ma per effetto della creazione di una configurazione che presenta un numero maggiore di vuoti a parità di massa, quindi meno densa rispetto a quella originaria così come intuibile dal rapporto d=m/V.

Perché è importante che il ghiaccio galleggi?

Il galleggiamento del ghiaccio sulla superficie dell'acqua è un fenomeno molto importante per il benessere di interi ecosistemi subacquei. Grazie al congelamento dello strato superficiale di mari e laghi, si viene infatti a creare una cortina che isola gli strati sottostanti, evitando che il calore presente in profondità venga disperso e che l'invaso finisca per congelarsi.

Questo sistema, con l'irrigidirsi delle temperature esterne, permette di proteggere gli habitat acquatici e preservare la vita di tutti gli organismi animali e vegetali che popolano i fondali. Paradossalmente, se il ghiaccio non galleggiasse, queste patine di protezione si formerebbero e affonderebbero in modo continuativo, favorendo il raffreddamento – ed eventualmente il congelamento – degli strati di acqua sottostanti, con effetti devastanti sugli ecosistemi.