Скручивание металлов с помощью тепла

Яркий научный проект от Science Buddies

Ключевые идеиФизикаТемператураТепловое расширениеМеталлы

Введение Вам нравится упаковывать подарки людям? Возможно, вы даже скручивали ленточку ножницами (или видели, как это делал кто-то другой). Вы когда-нибудь задумывались, почему лента скручивается, когда вы проводите по ней ножницами с одной стороны? Ответ в том, что когда вы нажимаете на ленту лезвием ножниц, внешний слой ленты растягивается и расширяется. Это делает внешний слой ленты длиннее внутреннего слоя, прижатого к лезвию. В результате лента скручивается, компенсируя разную длину каждого из ее слоев. В этом упражнении вы также заставите материалы скручиваться. Однако для этих материалов вам не понадобятся ножницы: вместо этого вы будете использовать тепло!

Фон Вы, наверное, знаете или видели, что материалы способны менять свою форму или объем при нагревании или охлаждении. Это справедливо для твердых тел, жидкостей и газов, которые состоят из атомов и молекул. Под воздействием тепла эти молекулы начинают вибрировать и двигаться быстрее. Это заставляет молекулы растягиваться и занимать больше места. В результате материал слегка расширяется при нагревании. С другой стороны, когда материал холодный, молекулы движутся меньше и занимают меньше места. Таким образом, материалы сжимаются при охлаждении. Хотя все материалы расширяются при нагревании, не все они расширяются в одинаковой степени. Насколько материал расширяется при нагревании, определяется его коэффициентом теплового расширения. Например, алюминий расширяется на 21–24 микрометра на метр, если повысить его температуру на 1 градус Цельсия.

Что происходит, когда объект состоит из более чем одного материала? Они оба будут расширяться по-разному при нагревании! На самом деле существуют специальные материалы, называемые биметаллами, в которых используются различные свойства теплового расширения. Биметалл — это объект, состоящий из двух отдельных слоев разных металлов, скрепленных вместе. При нагревании биметалла один из металлов расширяется больше, чем другой. В результате биметаллический материал изгибается (или скручивается) в одном направлении — точно так же, как лента для подарочной упаковки. Из-за этого эффекта биметаллы часто используются для индикации изменений температуры, например, в термометрах со стрелочным циферблатом (например, используемых в духовках или холодильниках). Внутри этих термометров к стрелке прикреплена биметаллическая катушка. При изменении температуры указатель перемещается в зависимости от степени деформации биметаллической катушки.

В этом упражнении вы сами увидите, как различные свойства теплового расширения могут привести к скручиванию объекта. Готовы вызвать жару?

Материалы

Подготовка

Процедура

Наблюдения и результаты Вы видели, как одна из ваших полосок вилась над пламенем свечи? Вы должны иметь! Полностью алюминиевая полоска и полностью бумажная полоска не должны были измениться, когда вы держали их над пламенем. Это связано с тем, что два слоя полоски изготовлены из одного и того же материала. Если полоска нагреется, что вы должны были заметить, прикоснувшись к ней, оба слоя расширятся одинаково. Однако если полоска состоит из двух разных материалов, например, из бумаги и алюминия, произойдет нечто иное.

Держа бумажно-алюминиевую полоску над пламенем, вы, вероятно, заметили, что она сразу же начала сгибаться или скручиваться в одном направлении. Он загибается вверх, когда слой алюминия обращен к свече, и вниз, когда слой алюминия обращен к потолку. Это связано с тем, что алюминий и бумажный слой нагреваются, находясь над пламенем. Алюминий расширяется больше, чем бумага, из-за более высокого коэффициента теплового расширения. Поскольку бумага и алюминий склеены вместе, алюминий скручивается от бумажной полоски, компенсируя разную длину каждого из ее слоев — как скручивающаяся лента для подарочной упаковки! Вы увидите аналогичные результаты с другими полосами, состоящими из двух разных материалов с разными коэффициентами теплового расширения.