Lorsqu'il est mis dans l'eau, un objet coule au point où le volume d'eau qu'il déplace a le même poids que l'objet. C'est Archimède qui a découvert cela.

Lorsque vous mettez du plomb dans l'eau, le poids du plomb est bien supérieur à celui du même volume d'eau. Par conséquent, il coule au fond. Comme la glace ne pèse qu'environ 90% de son volume d'eau, 90% de la glace sera sous l'eau, le reste au-dessus. Le chiffre réel est de 91,7%, donné par les poids spécifiques de l'eau (0,9998) et de la glace (0,9168) à 0 ° C.

En fait, dans le cas du plomb, si l'eau était suffisamment profonde, le plomb coulerait au point où son poids serait égal à celui de l'eau sous pression en profondeur. Comme le plomb se comprime aussi bien que l'eau, cela peut ne jamais arriver, mais pour d'autres objets et / ou fluides, cela peut arriver.

C'est aussi les raisons pour lesquelles les ballons gonflés à l'hélium flottent: leur poids est inférieur à celui du même volume d'air. Au fur et à mesure qu'ils flottent, le ballon se dilate, tandis que l'air devient plus rare et donc plus léger. À une certaine altitude, les deux seront égaux et le ballon cessera de monter.

J'aime répondre en réinterprétant votre question: si vous vous attendez à ce que la glace soit complètement au-dessus de l'eau parce que la glace est moins dense que l'eau (comme indiqué sur votre image de gauche), alors vous vous attendez également à ce que la glace soit complètement en dessousl'air parce que la glace est plus dense que l'air (pour que cela soit vrai, pensez à pousser votre glaçon vers le bas dans l'eau pour que sa surface supérieure soit au niveau de la surface de l'eau).Les deux ne sont évidemment pas possibles en même temps.Donc, vous voyez que votre raisonnement ne vous donne pas une solution bien définie, et donc votre raisonnement (ne devrait-il pas reposer complètement sur l'eau?) Doit être faux.

Je pense que la vraie question que vous vous posez ici est: pourquoi les fluides moins denses restent-ils complètement au-dessus des fluides plus denses, alors que les solides moins denses coulent partiellement?

Si la glace recouvrait la même zone que l'eau en dessous, alors elle serait reposer complètement au-dessus de l'eau. C'est le cas dans un étang entièrement recouvert de glace.
Mais comme la glace a un poids non négligeable, la surface de l'eau glacée a une pression supérieure à la pression atmosphérique - c'est ce qui empêche la couche de glace de couler. Cependant, s'il y a un espace dans la couche de glace, la pression excessive poussera l'eau jusqu'à ce que sa propre pression hydrostatique la compense. En particulier, si la majeure partie de la surface n'est pas recouverte de glace, alors il y aura beaucoup d'eau qui montera au-dessus du fond de la glace. Ceci est décrit de manière plus sensée dans l'autre sens: la glace s'enfonce dans l'eau .

Maintenant, cela vous donne un état qui n'est pas tout à fait optimal, énergétiquement: il y a des portions d'eau reposant plus haut que des portions de glace. Si vous pouviez échanger ces parties, vous obtiendriez un état plus stable.

La limite de ce processus est un état où toute la glace repose au-dessus de l'eau. Cependant, comme la glace est solide, vous ne pouvez pas vraiment faire cela sans couper / casser des morceaux de glace.

Dans le cas de deux fluides de densité différente, il est cependant facilement possible de déplacer des parties du matériau plus léger, et parce que c'est énergétiquement favorable, cela se produira automatiquement.

La différence entre l'image des liquides tous joliment superposés et un glaçon dans l'eau est que les liquides peuvent changer de forme pour s'adapter à la forme du récipient alors que la glace ne le peut pas. Si la glace pouvait changer de forme et d'écoulement pour remplir le récipient, vous verriez exactement ce que votre intuition prédit: la glace repose entièrement au-dessus de l'eau. En fait, si vous visualisez un lac qui a gelé, c'est exactement ce que vous obtenez! Cependant, votre glaçon ne peut pas couler comme ça. Ainsi, au contraire, il suit le principe d'Archimède, comme d'autres l'ont suggéré, et «déplace» une quantité d'eau égale à sa masse. Comme il est moins dense que l'eau, cette quantité de déplacement amènera le glaçon à reposer partiellement submergé.

En ce qui concerne les billes qui tremblent vers le haut, c'est légèrement différent. C'est le même principe, juste avec une torsion. Dans le cas où le conteneur de billes est secoué, il s'agit d'un processus stochastique. L'espérance statistique est que le tremblement moyen fera monter les objets moins denses vers le haut et les objets plus denses couleront. Cependant, nous les secouons rarement suffisamment pour séparer complètement les billes en couches distinctes et croustillantes. Comparez cela aux liquides. Le cas équivalent pour un liquide serait beaucoup, beaucoup de petites billes, et vous les secouez continuellement très rapidement. Naturellement, nous voyons plus de stratification dans les liquides que dans les solides, simplement à cause de cela.

Remarque: il y a aussi un second effet dans le cas des billes. L'exemple ci-dessus ne se produit que si chaque objet est de la même taille. Dans le cas de techniques mixtes (comme un contenant de noix mélangées), cet effet est éclipsé par un autre effet. Les petits objets peuvent s'empiler sous les gros, donc en général les plus gros (comme les noix de macadamia) montent vers le haut.

Même dans ce cas, avec un effet plus prononcé que la densité, on ne voit pas une stratification parfaite des noix mixtes.Il y en a toujours un petit nombre qui ne sont pas au «bon endroit», comme une cacahuète qui parvient à être jetée sur une mer de noix.Ainsi, lorsque vous comparez trois cas, les liquides stratifiés, la glace sur l'eau et le contenant de billes, vous ne voyez en fait pas les liquides stratifiés et les billes «agissant de la même manière» et la glace agissant de façon étrange.Vous voyez vraiment que les liquides sont les plus stratifiés, puis la glace sur l'eau, et les billes fournissent en fait la moindre stratification des trois exemples.Si votre intuition vous dit le contraire, cela peut suggérer que votre intuition tient compte de certains de ces facteurs aléatoires à votre place, et biaisent vos résultats.

Je vais essayer d'expliquer cela en utilisant des mathématiques. Laissez-nous un glaçon flottant dans l'eau.Soit la densité de l'eau $ \ rho_1 $ et celle de la glace $ \ rho_2 $.Soit le volume du glaçon $ v $.Soit le volume immergé $ v '$.Si vous considérez les forces sur le bloc de glace: $$ \ rho_2 \ cdot v \ cdot g = \ rho_1 \ cdot v ^ \ prime \ cdot g $$ Annulation de g des deux côtés, $$ \ rho_2 \ cdot v = \ rho_1 \ cdot v ^ \ prime $$ Maintenant, $$ v ^ \ prime / v = \ rho_2 / \ rho_1 $$ Clairement, $ \ rho_2 < \ rho_1 $.Cela signifie, $$ \ begin {align} v ^ \ prime / v &< 1 \\ \ implique ~~~~~~ v ^ \ prime & < v \ end {align} $$

Cela signifie que le volume immergé (v ') est inférieur au volume total du cube.Cela signifie également que le cube ne plongera pas complètement dans l'eau, à condition qu'aucune force externe ne soit appliquée.

Beaucoup de bonnes réponses déjà, mais je pense que c'est le genre de réponse intuitive que vous recherchez:

Comprenez que "l'information" que l'eau doit "connaître" pour que ce comportement se produise est not la densité de la glace. En d'autres termes, l'eau supportant la glace ne "connaît" pas la densité de la glace au-dessus d'. Il ne pense pas, "Oooh, c'est un solide non dense! Je vais le pousser à fond !!" Au contraire, l'eau ne ressent que le poids de l'objet.

Cela semble idiot jusqu'à ce que vous vous rendiez compte que cela transmet le point crucial: si vous prenez la partie de la glace qui ne touche pas l'eau (qui est pratiquement tout sauf les molécules à la surface submergée ) et remplacez-le par un autre matériau de poids et de centre de gravité égaux mais de densité différente, alors, intuitivement, n rien ne devrait changer - même si la densité de l'objet est plus élevée maintenant .

Cette intuition devrait vous dire que la densité low n'est ni nécessaire ni suffisante pour flottation . Au contraire, il suffit d’empêcher une submersion complète , ce que la glace ne fait bien sûr pas. Comment un objet flotte réellement dépend d’autres facteurs, comme la forme de l’objet, son centre de gravité et la façon dont il a été initialement immergé dans l’eau.

J'espère que cela résout pour vous le nœud du problème!

Les gens ont répondu en fonction de l'équilibre des forces, mais il existe une réponse équivalente (et, à mon avis, plus satisfaisante) basée sur la conservation de l'énergie.

Supposons que le glaçon soit initialement juste au-dessus de la surface de l'eau. Si vous l'abaissez un tout petit peu dans l'eau, un tout petit peu d'eau sera forcé de remonter, augmentant ainsi l'énergie potentielle gravitationnelle. Mais le glaçon entier descendra, ce qui diminuera considérablement l'énergie. Ainsi, dans la configuration d'énergie minimale, l'objet s'enfonce toujours un peu dans l'eau au moins.

Notez que cet argument ne s'applique pas à deux fluides, où la configuration d'équilibre a vraiment le fluide plus léger sur le dessus. Pourquoi? Envisagez de déplacer un cube de liquide à briquet vers le bas. Les mêmes arguments ci-dessus sont valables, sauf que lorsque le fluide plus lourd monte, tout le fluide plus léger est obligé de monter aussi. Ainsi, la configuration complètement séparée a vraiment une énergie minimale.

Dans l'exemple du glaçon, le «fluide plus léger» poussé vers le haut est de l'air, pas de la glace. L'air étant beaucoup plus léger que l'eau, le glaçon coule.

Je dirais que ce qui est montré dans votre deuxième image sur trois, où le morceau de glace est au-dessus de l'eau, est statiquement impossible car la pression à la surface de l'eau sous la glace est supérieure à la pression à la surface de l'eauentre la glace et les parois du récipient, de sorte que l'eau est pressée entre les parois et la glace.D'un autre côté, si la glace est bien ajustée dans le récipient, elle pourrait "flotter" au-dessus de l'eau.