"Institute of Educational Policy" Books
Δυνάμεις κατά τη διαστολή και συστολή
Γιατί ένα γυάλινο ποτήρι σπάει όταν χύσουμε σε αυτό καυτό νερό; Γιατί τα γυάλινα σκεύη που χρησιμοποιούμε για να ψήσουμε το φαγητό στο φούρνο της ηλεκτρικής κουζίνας είναι από πυρίμαχο γυαλί (Pyrex); Ποια η σχέση της θερμικής διαστολής και της λειτουργίας του θερμοστάτη του ηλεκτρικού ψυγείου μας; Ας δούμε τι συμβαίνει.
Όταν εμποδίζεται η διαστολή ενός σώματος η τάση των μορίων να εξεύρουν περισσότερο χώρο εμφανίζεται ως δύναμη διαστολής. Ανεξάρτητα πόσο μικρή είναι η γραμμική διαστολή μιας ράβδου ή η διαστολή του όγκου ενός υγρού, η δύναμη διαστολής είναι πάρα πολύ μεγάλη. Έτσι, όταν απότομα γεμίσουμε ένα ποτήρι με καυτό νερό, το εσωτερικό τοίχωμα του ποτηριού θερμαίνεται αμέσως σε σχέση με το εξωτερικό του και διαστέλλεται πριν από αυτό. Μία δύναμη λοιπόν «από μέσα προς τα έξω» θρυμματίζει το ποτήρι. Αυτό δεν συμβαίνει στο πυρίμαχο γυαλί (pyrex) διότι αυτό το είδος γυαλιού διαστέλλεται πολύ λιγότερο από το κοινό γυαλί.
Παλαιότερα μεταξύ των σιδηροτροχιών υπήρχαν διάκενα για να αποφεύγονται οι δυσάρεστες συνέπειες της διαστολής κατά τους καλοκαιρινούς μήνες (Εικ. 2.28). Σήμερα γίνεται κατάλληλη επεξεργασία των σιδηροτροχιών, ώστε να αποφεύγονται οι συνέπειες διαστολής τους και αφήνονται πλέον τα διάκενα αυτά. Τέτοια διάκενα υπάρχουν στις γέφυρες (Εικ. 2.29).
Στο ηλεκτρικό ψυγείο η θερμοκρασία πρέπει να παραμένει σταθερή, όπως και στο φούρνο της ηλεκτρικής κουζίνας, στην πλάκα του ηλεκτρικού σίδερου σιδερώματος, στο ηλεκτρικό καλοριφέρ, στο νερό που ψύχει τον κινητήρα του αυτοκινήτου και σε πολλές ακόμα περιπτώσεις. Η ρύθμιση της θερμοκρασίας σε όλες αυτές τις συσκευές γίνεται με έναν κατάλληλο διακόπτη που ονομάζουμε θερμοστάτη.
Πώς λειτουργεί ένας θερμοστάτης; Ποιος είναι ο ρόλος της θερμικής διαστολής στη λειτουργία του; Στην πιο απλή περίπτωση ο θερμοστάτης αποτελείται από ένα διμεταλλικό έλασμα. Κατασκευασμένο με δύο ελάσματα (ή σύρματα) από διαφορετικά μέταλλα, κολλημένα πολύ καλά το ένα στο άλλο. Όταν ένα διμεταλλικό έλασμα θερμανθεί κάμπτεται, γιατί το ένα μέταλλο διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο. Έτσι, ένα διμεταλλικό έλασμα από invar και ορείχαλκο κυρτώνεται προς τη μεριά του ορείχαλκου, διότι ο ορείχαλκος διαστέλλεται σχεδόν 20 φορές περισσότερο από το κράμα invar. Στον θερμοστάτη λοιπόν, συνήθως υπάρχει ένα διμεταλλικό έλασμα που επηρεάζεται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Στις ηλεκτρικές συσκευές το διμεταλλικό έλασμα διακόπτει και αποκαθιστά το ηλεκτρικό ρεύμα, όταν η θερμοκρασία αυξηθεί ή ελαττωθεί πέρα από το όριο που έχει ρυθμιστεί με το θερμοστάτη.