La mayoría de los materiales se expanden y contraen debido a los cambios de temperatura. En esta relación directa, el material se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. La tasa de expansión y contracción es mínima por grado de cambio de temperatura. Sin embargo, en estructuras grandes como puentes o edificios, las cantidades mínimas se suman, lo que provoca un gran cambio de tamaño. Los ingenieros tienen que dar cuenta del cambio y desarrollar soluciones para diversas estructuras para absorber la expansión y contracción.

Coeficientes de la tabla de expansión lineal

Utilice la tabla Coeficientes de expansión lineal de la Caja de herramientas para determinar el tasa de expansión de un material por pulgada, por cambio de temperatura. Por ejemplo, la tasa del acero es 7.3 veces 10 a menos 6 pulgadas por grado Fahrenheit. Para convertir la notación científica en números reales, un cubo de acero de 1 pulgada en un lado se expande .0000073 de pulgada cuando la temperatura aumenta 1 grado Fahrenheit. Esto es aproximadamente 1/50 del grosor de un cabello.

Figuras de tabla para practicar

Puede pensar que expandir 1/50 del grosor de un cabello para acero no es mucho, pero los coeficientes de expansión agregar. Por ejemplo, el puente Mackinaw en Michigan tiene una longitud de 5 millas. Esto se convierte en 316,800 pulgadas. En el invierno, las temperaturas en Michigan pueden bajar a menos 20 grados Fahrenheit, y en el verano pueden llegar a 90 grados Fahrenheit. Esta es una diferencia de temperatura de 110 grados. Multiplicando .0000073 por 316,800 por 120 produce 254 pulgadas, o aproximadamente 21 pies de expansión o contracción.

Problemas de expansión y soluciones

El problema del puente Mackinaw es un pequeño ejemplo de los millones de expansión y los ingenieros de problemas de contracción superan todos los días. Los ingenieros diseñan juntas movibles especiales, llamadas juntas de expansión, para permitir algo de "dar" para el problema de expansión /contracción. Si el puente Mackinaw no tenía juntas de expansión, se despegaría de sus soportes al expandirse. El puente Mackinaw tiene 31 juntas de expansión estratégicamente ubicadas. Estas articulaciones se entrelazan como dedos y se deslizan una sobre la otra cuando se mueve el puente. El concreto también se expande y contrae. Las entradas de autos tienen franjas negras a intervalos preestablecidos; estas son juntas de expansión para concreto. Si no estuvieran allí, el hormigón se rompería, debido a las tensiones internas acumuladas por la expansión.

Materiales disímiles Problemas y soluciones

Los materiales disímiles colocados uno junto al otro plantean sus propios problemas. Muchos motores de automóviles tienen bloques de hierro fundido, pero cabezas de aluminio. El coeficiente de expansión lineal del aluminio es mayor que el del hierro. Cuando el motor alcanza la temperatura de funcionamiento, si las cabezas se expanden demasiado, los pernos de cabeza pueden romperse. Cuando se enfría, los pernos de la cabeza pueden aflojarse. Los ingenieros resolvieron el problema desarrollando un perno de cabeza especial, llamado perno extensible. Los pernos elásticos están hechos de un compuesto de acero especial y se estiran literalmente cuando se calientan. Cuando la cabeza de aluminio se expande, el perno se estira, por lo que no se romperá. Cuando la cabeza se enfría, se retrae. Un perno elástico es casi como un resorte, capaz de expandirse y contraerse.