Hol találkozunk a dilatációval és az ellenkezőjével?

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