Hol találkozunk a dilatációval és az ellenkezőjével?

fizika, vasút

Aki már ült vonaton, jól ismeri a vonatzakatolás hangját. Ezt a sínen futó kerekek adják ki. Aki pedig már figyelmesebben megnézett egy sínpályát, azt is tudja, hogy a kattogást az egyes sínszakaszok közti, keskeny rések okozzák. De vajon miért van szükség ezekre a résekre?

Ahány anyag, annyiféle hőtágulási mérték

A réseket az építő szakmákban dilatációknak hívják, ami azonban pontatlan elnevezés. Hiszen épp azért van szükség a résekre, hogy kiegyenlítsék, idegen szóval kompenzálják a dilatáció nevű fizikai jelenséget. A réseknek tehát szakszerűen dilatációs kompenzálás a nevük, de ezt a hosszú nevet a hétköznapi életben lerövidítik.

De nézzük, mit is jelent ez a kifejezés. A dilatációnak eredendően „tágulás” a jelentése, és mivel a fizikában ezzel a leggyakrabban olyankor találkozunk, amikor ez a hő hatására jön létre, itt a „hőtágulás” értelmében használjuk. Emögött alapvetően annak szabálya áll, hogy ha két különböző hőmérsékletű anyag – például a levegő és egy fémből készült tárgy, esetünkben a vonatsín – kapcsolatba kerül egymással, akkor ezek hőkiegyenlítésre törekszenek, vagyis átadják egymásnak a hőt.

A hőátadás folyamán pedig az egyes anyagokban, így a fém sínen belül is megváltozik a molekulákban az atomok közötti kötésben tárolt energia. Márpedig, ha a tárolt energia megnő, akkor ettől az atomok távolságának is meg kell nőnie, ami azt jelenti, hogy az egész, atomokból, illetve molekulákból álló tárgynak meg fog nőni a térfogata. Ez történik tehát a sínnel is, amikor erősen süt rá a nap, és a levegő is egyre forróbb lesz körülötte. Ha pedig a sín, amelyet oldalról szorosan rögzítettek a pályájához, tágulni kezd, akkor fel fog púposodni, sőt, ahol lehet, még el is görbül. Mindez pedig a vonat kisiklását okozná. Ezért kell a sín egyes elemei közt akkora rést hagyni, hogy a síndarabok teljes hosszukban szabadon tágulhassanak, anélkül, hogy az utánuk következő darab megakadályozza őket ebben.

A dilatáció jelensége nem csak a fémeket érinti, ám a különféle anyagokat eltérő mértékben. Egy példa: ha egy 1 méter (1000 mm) hosszú acélrudat 0 fokosról 200 fokosra hevítenek fel, akkor az 2,4 mm-rel lesz hosszabb, egy keményüvegből készült tárgy azonban csak alig 1 mm-rel. Azt, hogy az egyes anyagok milyen választ adnak a hőmérséklet-változásra, az ún. hőtágulási együttható fejezi ki, amelynek a jele K. Ennek csak a szilárd testek esetében van jelentősége, ott azonban gyakran használják, a mérnöki számításoknál. Fontos, hogy ennek értékét csak állandó nyomáson lehet értelmezni. (Erről részletesen itt olvashatsz.)

Mi a vonat- és villamossín tágulása mellett még olyankor találkozhatunk közvetlenül a hőtágulással, amikor a lakásunk vagy a testünk hőmérsékletét akarjuk megmérni.  Ehhez olyan eszközökre van szükségünk, amelyek felhasználják a hőtágulás a jelenségét. A hagyományos hőmérőkben higany van, amely gyorsan és látványosan kitágul a hő hatására. És mivel ennek a mértékét a fizikában jól ismerik, a higanyt tartalmazó csövecske mellé a gyártók pontos skálát tudnak elhelyezni. (A hőmérőkről szóló cikkünket itt olvashatod.)

Hol fontos még a különböző anyagok dilatációja?

A hőtágulás minden olyan gépnél, berendezésnél, csőrendszernél szerepet játszik, ahol eltérő hőmérsékletű anyagokkal kell számolnunk. Így például a központi fűtési rendszerek tervezésénél mindenképpen, hiszen, ha a csövekbe forró vizet fognak bevezetni, az hatással lesz azok anyagára. Ezért a mérnöki gyakorlatban nélkülözhetetlen az a táblázat, amely figyelembe veszi a víz hőmérséklet-függő hőtágulási együtthatóját és a fűtési rendszerek egyéb jellemzőit.

A táblázat százalékosan mutatja a víz térfogatváltozását, 10 °C-os betöltési hőmérsékletet figyelembe véve:

Maximális vízhőmérséklet  

40 °C  

50 °C  

60 °C  

70 °C   

80 °C  

90 °C

Térfogat-növekedés

0,8%

1,2%

1,7%

2,2%

2,9%

3,6%

Emellett a csőrendszereknél is használnak a csatlakozási pontokon speciális kompenzátorokat. Ha minderre nem figyelnének, a fűtési rendszerekben súlyos károsodások is bekövetkezhetnének.

Ezen a videón jól látszik az a szellemes megoldás, amely a fésűs fogazatot használja fel a híd biztonságának megőrzésére. Emellett természetesen még más eszközökkel is kompenzálják azokat a hőmérsékleti hatásokat, amelyeknek a hidak a többi építménynél is erőteljesebben ki vannak téve.

Hasonló a helyzet a hidak és a repülőgépek tervezésénél is, amelyeknél akár hirtelen is felléphetnek nagy hőingadozások, és ezek törésekhez, szakadásokhoz is vezethetnek. Ezért emberek élete is függhet attól, hogy jól oldották-e meg a hőtágulás kompenzálásait. A hidaknál például olyan, speciális kapcsolódási formákat alakítanak ki, amelyek fésű-szerűen egymásba nyúló fogakkal teszik lehetővé, hogy a híd egyes részei a leszakadás veszélye nélkül tágulhassanak, illetve húzódhassanak vissza a hő változásainak hatására. A repülőgépeknél pedig egy ennél is rafináltabb megoldást alkalmaznak: az ún. bimetál anyagok beépítését.

A „bimetál” latin műszaki szakszó, a „kétszer” jelentésű „bis” és a „fém” jelentésű „metallum” elemekből. Ez azt fedi, hogy a szóbanforgó párosítás – amelyet éppen ezért ikerfémként is szoktak emlegetni –, két egymásra hengerelt, másfajta fém együttese, vagyis két különböző anyagú, összeerősített fémlemez vagy fémrúd. Ha ezt meleg éri, a kettős lemez elhajlik. Ám mivel a kétféle fém nem egyformán tágul, a nagyobb mértékben táguló elem elhajlítja a kevésbé táguló lemezt, amely így nem törik el, a szerkezetben tehát semmiféle kár nem keletkezik.   

Mindezek mellett a gépek gyártása során is vannak olyan helyzetek, amikor nem védekeznek a dilatáció ellen, hanem kihasználják azt, sőt nemcsak a tágulást, hanem az összehúzódást is. Ilyenkor rendszerint a feladat két tárgy biztonságosan szoros összeillesztése. Azt, hogy ezt a hőtágulás felhasználásával a legjobb megoldani, már a paraszti kultúrában is ismerték: például a fából készült kocsikerékre úgy erősítették rá a fémabroncsot, hogy jó forróra felhevítették, a két végén rögzítették, majd ahogy hűlt az abroncs, úgy tapadt egyre szorosabban a fára, mintha odaragasztották volna. Hasonló módszert követnek ma is a gépiparban, például olyankor, amikor egy tárcsát kell felhelyezni egy tengelyre, de sajtolás nélkül. Ilyenkor a tárcsát fölmelegítik a megfelelő hőfokra: éppen annyira, hogy a rajta lévő furat átmérője meghaladja a tengelycsap átmérőjét. Ekkor a tárcsát könnyen fel tudják húzni a csapra, majd elkezdik lehűteni, amiről az erősen rászorul a tengelyre. (Forrás)

Mire használhatjuk a dilatáció fordítottját?

 
A szerző fotója  

A dilatáció fordítottját – vagyis a hideg hatására létrejött összehúzódást – a háztartásunkban is felhasználjuk. Olykor ugyanis előfordul, hogy két edényt – lábast, fazekat és fedelét, poharat, csészét stb. – egymásba tettünk, de valami okból a kettő közt odabenn vákuum keletkezett, és nem bírjuk egymásból kihúzni. Ha ez épp egy kemény, téli időben történik, akkor elég, ha az edényeket kitesszük a hidegre. Ha viszont melegben, olyankor a mélyhűtőbe a legcélszerűbb betenni, ahol rövid idő alatt annyira összehúzódnak, hogy már könnyedén szétszedhetők.

A fizika tehát ugyanúgy ellenünk is fordulhat, ahogy a segítségünkre is lehet, de hogy épp melyiket „választja”, az alapvetően azon múlik: kellőképp megismertük-e a természetét. Ha igen, akkor a folyamatait a javunkra fordíthatjuk.

Lévai Júlia  


Címkék:

ajánló  állatkert  állatok  alvás  Antarktisz  aszteroida  Ausztrália  autó  baktérium  barlangok  betegség  Biblia  bolt  Budapest  buddhizmus  bútorok  búvárkodás  cidrimókus  császárság  csillagok  denevér  díj  dory  édesség  éghajlat  egyensúly  egyház  egyiptom  elefánt  elektromosság  ember  emberi test  emlős  építmények  Északi-sark  etimológia  étkezés  eukaliptusz  Európa  fejlesztés  félelem  felfedezés  finommotorika  fizika  Föld  főzés  gyerekek  gyógyítás  gyógyszertár  háború  hajózás  halak  halál  halmazállapot  hangsebesség  hideg  hiszti  hogyan működik  hőmérő  hüllők  időjárás  időszámítás  India  infrahangok  interjú  internet  iránytű  irodalom  iskolaérettség  iskolakezdés  járművek  játék  jel  jelentés  jelrendszer  Jézus  kalóz  kapitalizmus  karácsony  karantén  kémia  kereskedelem  kétéltűek  Kína  klímaváltozás  koala  kommunikáció  kórház  koronavírus  könyv  közlekedés  Krisztus  kultúra  kultúrtörténet  léghajó  leguán  légzés  LOGICO  lovagok  madarak  magasság  mágnes  mese  meteorológia  Mi MICSODA  mikroszkóp  mitológia  mítoszok  művészet  Nikola Tesla  Nobel-díj  növények  nyelv  nyomozás  óceán  ókor  ókori Görögország  oktatás  olimpia  olvasás  Oroszország  orvoslás  öltözködés  őskor  pedagógus  pszichológus  pulzus  rajz  rák  receptek  régészet  repülés  robot  rovarok  sárkány  sejtek  sport  szavak  szellemek  szépség  szerzetesrendek  szimbólum  táplálkozás  távíró  technika  tél  tenger  terhesség  természet  természeti jelenségek  természeti katasztrófák  természettudomány  teszt  tobzoska  történelem  tudomány  tüntetés  újkor  ultrahang  úthálózat  ünnep  vadnyugat  vallás  Városliget  vasút  védőoltás  Velence  vidámpark  vidra  világűr  vírus  víz  vulkán  zarf  zene