4.53. Тепловые эффекты и длина

Почему большинство мостов состоит из секций, между которыми оставляют узкие зазоры? Почему старые железнодорожные пути делали из коротких состыкованных рельсов, между которыми всегда оставляли зазор? В поезде, едущем по таким рельсам, стоял грохот, пассажиров сильно трясло: когда колеса натыкались на стыки, вагон подбрасывало, и возникающие колебания становились источником звука и тряски. Почему у современных железнодорожных путей зазоров нет?

ОТВЕТ • Большинство материалов, используемых при строительстве мостов, расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Если в течение года конструкция из таких материалов испытывает значительные изменения температуры, она должна допускать изменение размеров. Иначе расширение приведет к потере устойчивости при изгибе.

Изначально рельсы были короткими. Они состыковывались, а между ними оставлялись зазоры, допускающие возможность теплового расширения. В современных рельсах зазоров практически нет. Теперь делают бесстыковые железнодорожные пути из сварных рельсов. Они настолько надежно крепятся к шпалам, что изгибаются очень редко. Обычно рельсы укладывают при температуре, средней между максимальным и минимальным годовыми значениями. Кроме того, эти рельсы укладывают так, чтобы они могли немного изгибаться вбок.

Трубопровод, уложенный на дне океана, не закреплен, и когда по трубам течет теплая нефть, тепловое расширение может привести к их изгибу. До тех пор пока изгиб не слишком большой, неприятностей, скорее всего, не будет.

При проектировании самолета «Конкорд» пришлось допустить тепловое расширение корпуса при сверхзвуковом полете. Дело в том, что из-за трения о воздух обшивка самолета разогревалась. В носовой части температура поднималась до 128°C, а в хвостовой — до 90°C. Окна кабины были теплыми на ощупь, а удлинение корпуса при разных условиях полета и по разным источникам составляло от 12 до 30 см.

Корпус самолета-разведчика SR-71 (его рекорд высоты и скорости для серийных самолетов до сих пор не побит) нагревался в полете до 400°C и удлинялся примерно на ту же величину, хотя его длина была почти такой же, как у «Конкорда». Дело в том, что коэффициент термического расширения у титана примерно втрое меньше, чем у алюминия.

Материалы, используемые в стоматологии, разрабатывают с учетом того, чтобы их температурное расширение или сжатие не наносило вреда соседним зубам. Иначе глоток горячего кофе, которым вы запили холодное мороженое, запомнится вам надолго.

Причин, приведших к аварии, в результате которой 50 миллионов американцев и канадцев остались без электричества в августе 2003 года, было много. Но одной из них стало необычное происшествие в Огайо. В тот день по сети шел большой ток, и провода линии электропередачи разогрелись существенно больше, чем обычно. Когда температура проводов повысилась, увеличилась и их длина на каждом из участков между опорами. Провода провисли, и один из провисших участков оказался так близко к дереву, что ток пошел через дерево в землю. Этот участок вышел из строя, что привело к нестабильности энергосистемы, результатом которой стало ее отключение.