Силы действующие при расширении и сжатии    

    Рельсовые накладки для компенсации расширения и сжатия металлаЕсли стальной стержень с площадью поперечного сечения 1 см2 нагрет до 100 °С, а затем охлажден без сжатия до 10 °С, то может быть подсчитано, что сила натяжения стержня равна примерно 21 000 Н. С той же силой действовал бы стержень, если бы была сделана попытка предотвратить его расширение при нагреве. 

    Ясно, что когда тела расширяются или сжимаются, то возникают значительные силы. В повседневной жизни нужно предусматривать тепловое расширение или сжатие, иначе может быть причинен ущерб большими силами, возникающими при этом. Хорошим примером здесь являются рельсы. Они делаются из стали и кладутся на деревянные шпалы звеньями длиной 18 м. Между ними оставляется зазор примерно 1 см при температуре 0 °С. Рельсы соединяются друг с другом при помощи «накладок», отверстия в которых делаются овальными, а не круглыми. Это позволяет болтам, соединяющим «накладки», скользить внутри отверстий и компенсировать любое расширение или сжатие.

    Рельсы обычно изнашиваются в местах соединений.В наше время применяются цельносварные рельсы, которые гораздо длиннее — до 300 м. Они зажаты значительно жестче, чем старые 18-метровые рельсы. Вместо деревянных шпал используется напряженный бетон, а соединения гораздо более прочные. Ясно, что рельсы будут расширяться и сжиматься, а поскольку они не могут двигаться, то возникают большие напряжения.

    Зазор между рельсами для компенсации теплового расширенияС учетом этого рельсы кладутся так, чтобы при температуре около 20-25 °С они не испытывали напряжения. Когда температура ниже приведенной, рельсы стремятся сократиться, но не могут сделать этого, поэтому они натянуты и испытывают деформацию растяжения. Когда температура выше этой, рельсы стремятся расшириться, но также не в состоянии сделать это и испытывают деформацию сжатия. Центральная часть каждого рельса не может двигаться, поскольку она жестко закреплена, но расширяться рельсы могут в противоположные стороны благодаря устройству соединения, показанного на рисунке 1. Длинные пролеты дают гораздо более плавный ход поездам, чем используемые раньше.

    Ролики под крышей больших зданийБольшие крыши на стальных каркасах, да и другие крыши сжимаются и расширяются при снижении и увеличении температуры, и поэтому обычно укрепляют лишь одну их сторону. Другая сторона крыши может покоиться на роликах, чтобы рама при расширении или сжатии могла немного передвигаться. Покрывая крыши металлическими листами, рекомендуется использовать небольшие листы. Хотя общее расширение остается тем же, но при покрытии листами оно делится на малые части.

    Расширение мостов также должно быть учтено. В конструкции такого большого моста, как Четвертый мост в Шотландии (Форте Бридж), для возможного расширения в его концах применены ролики, но расширение также должно быть учтено в различных точках по длине пролета. Когда вы едете по автостраде, вы можете заметить точки расширения на мостах и дорогах. Небольшие промежутки наполнены варом, который изменяет свою   форму,   допуская   расширение. Трубы для отвода пара или горячей воды также расширяются и сжимаются. Трубы центрального отопления тоже должны иметь допуски для расширения.

    Промышленные трубы имеют изгиб, который меняет свою форму под воздействием расширения или сжатия. При необходимости точных измерений следует учитывать расширение и сжатие измерительных инструментов. В жаркий день стальная измерительная лента даст заниженные результаты. По мере расширения ленты метки на ней несколько расходятся, и поэтому метровая отметка фактически отстоит от нуля более чем на метр. Тело длиной 1 м будет измерено этой лентой как имеющее длину менее метра. Наоборот, холодным днем метки несколько сдвинутся, и лента даст слишком большое показание.

    Проведем эксперимент по разлому стержня

    Прибор для разлома стержня при тепловом расширении и сжатииПрибор для этого эксперимента показан на рисунке. Нагрейте планку В газовой горелкой и по мере ее расширения закручивайте винт С. Это необходимо для удержания литого чугунного стержня А, проходящего через отверстие в планке В, у режущих краев опоры. Выключите газ и дайте планке остыть. Охлаждение может быть ускорено поливом разогретой планки водой или помещением на нее мокрой ткани. Вскоре стержень А с треском сломается под действием большой силы, производимой планкой В при ее сокращении

Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved