冰为什么浮在水上

露出一角

冰比同样多的水轻一点（密度小一点），所以浮着，但只露出一小部分。在海里，一座冰山大约九成藏在水面以下；所谓“冰山一角”，说的就是这个。

在一杯清水里，冰块也有九成多沉在水下。

冰山 · 水下部分约占九成

挤在一起，还是手拉着手

水是由许多微小的水分子组成的。液态的水里，分子挤来挤去，彼此靠得很近。

结成冰时，每个分子都和四个邻居“手拉手”，排成一圈圈六边形，中间留出空隙。同样多的分子，结成冰后要多占大约 9% 的地方，所以同样一杯，冰比水轻。

水分子示意 · 红色是氧，白色是氢

4°C 的水最沉

水还有一个怪脾气：同样一杯水，在 4°C 左右最沉。再往下冷，越来越多的水分子会短暂地手拉手，搭成一小片一小片像冰那样松散的架子，同样一杯水反而轻了一点。

下图是水在 0°C 到 12°C 之间的密度。最高点就在 4°C 附近。

水的密度 · Kell（1975）

从上往下结冰的湖

秋天，湖面的水变冷、变重，沉下去，下面较暖的水翻上来。等到整个湖都冷到 4°C，更冷的水就不再下沉，而是留在表面，最后结成冰。

冰像一层盖子，把冷空气和寒风挡在外面。冰下的湖底仍是 4°C 左右的水，鱼就在那里过冬。

冬天的湖 · 冰下 0°C，湖底约 4°C

少见的例外

如果冰像大多数固体一样会沉下去，湖会从湖底开始一层层冻住，许多深湖到了夏天也可能化不透。

固体比液体还轻，这种怪事只在少数几种物质身上发生，比如硅和镓。也正因为结冰时会胀大，冬天没排空的水管会被冻裂。