La maggior parte dei materiali si espande e si contrae a causa delle variazioni di temperatura. In questa relazione diretta, il materiale si espande quando riscaldato e si contrae una volta raffreddato. Il tasso di espansione e contrazione è minimo per grado di variazione di temperatura. Tuttavia, in grandi strutture come ponti o edifici, le quantità minime si sommano, portando ad un grande cambiamento di dimensioni. Gli ingegneri devono tenere conto del cambiamento e sviluppare soluzioni per varie strutture per assorbire l'espansione e la contrazione.
Coefficienti della tabella di espansione lineare
Utilizzare i Coefficienti della tabella di espansione lineare del Toolbox di ingegneria per determinare il tasso di espansione per un materiale per pollice, per variazione di temperatura. Ad esempio, il tasso di acciaio è 7,3 volte 10 a meno 6 pollici per grado Fahrenheit. Per convertire dalla notazione scientifica in numeri reali, un cubo di acciaio da 1 pollice su un lato si espande di 0,0000073 di pollice quando la temperatura sale di 1 grado Fahrenheit. Questo è circa 1/50 dello spessore di un capello.
Tabella delle figure da esercitarsi
Potresti pensare che espandere 1/50 lo spessore di un capello per l'acciaio non sia molto, ma i coefficienti di espansione addizionare. Ad esempio, il ponte di Mackinaw nel Michigan è di 5 miglia di lunghezza. Questo converte in 316.800 pollici. In inverno, le temperature nel Michigan possono scendere a meno 20 gradi Fahrenheit e in estate possono raggiungere i 90 gradi Fahrenheit. Questa è una differenza di temperatura di 110 gradi. Moltiplicando. 0000073 per 316,800 per 120 si ottiene un 254 pollici o circa 21 piedi di espansione o contrazione.
Problemi e soluzioni di espansione
Il problema del ponte Mackinaw è un piccolo esempio dei milioni di espansione e i tecnici dei problemi di contrazione superano ogni giorno. Gli ingegneri progettano giunti mobili speciali, chiamati giunti di dilatazione, per consentire di "dare" il problema di espansione /contrazione. Se il ponte di Mackinaw non avesse giunti di dilatazione, si sarebbe strappato dai suoi supporti durante l'espansione. Il ponte Mackinaw ha 31 giunti di espansione posizionati strategicamente. Questi giunti si incastrano come le dita e scivolano uno sull'altro quando il ponte si muove. Anche il calcestruzzo si espande e si contrae. I passi carrai hanno strisce nere a intervalli prestabiliti - questi sono giunti di dilatazione per calcestruzzo. Se non ci fossero, il calcestruzzo si spezzerebbe, a causa degli stress interni creati dall'espansione.
Problemi e soluzioni di materiali dissimili
I materiali dissimili posti l'uno accanto all'altro pongono i loro problemi. Molti motori automobilistici hanno blocchi in ghisa, ma teste in alluminio. Il coefficiente di espansione lineare dell'alluminio è maggiore di quello del ferro. Quando il motore raggiunge la temperatura di esercizio, se le teste si espandono troppo, i bulloni della testa potrebbero rompersi. Una volta raffreddati, i bulloni possono allentarsi. Gli ingegneri hanno risolto il problema sviluppando uno speciale bullone, chiamato bullone elastico. I bulloni elastici sono fatti di uno speciale composto di acciaio e si allungano letteralmente quando riscaldati. Quando la testata di alluminio si espande, il bullone si allunga, in modo che non si rompa. Quando la testa si raffredda, si ritrae. Un bullone elastico è quasi una molla, in grado di espandersi e contrarsi.
