Dilation
03 Dec, 2011
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PRESENTATION: At room temperature, the ball can easily be introduced into the metallic ring. When the ball is heated, the increase in its diameter caused by heat expansion makes it unable to fit through the ring.
- Using a Michelson Interferometer to Measure Coefficient of Thermal Expansion of Copper, Ryan Scholl and Bruce W. Liby, Phys. Teach. 47, 306 (2009)
- Thermal contraction and stretching, Carl H. Hayn, Phys. Teach. 36, 14 (1998)
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La dilatación ocurre porque cuando se calientan metales las moléculas que forman la pieza empiezan a vibrar energéticamente y eso produce que aumente el volumen.
La dilatación es un efecto que hay que tener en cuenta cuando se construyen puentes o raíles con metales. Se debe dejar espacios entre las piezas porque cuando aumenta la temperatura de las piezas se dilatan y estarían soportando mucha presión por lo que puede llegar a ser muy peligroso.
Este fenómeno también se utiliza en la fabricación de los termómetros clínicos de mercurio… que ahora empiezan a dejar de utilizarse por su toxicidad.
Como bien apunta Noa, este experimento puede ser trasladado a la realidad en la utilización de los materiales de construcción, que se dilatan y contraen con el cambio de temperatura. Pues bien, parece ser que en Galicia hemos sido pioneros en la construcción de un puente de casi dos kilómetros de longitud sin juntas de dilatación…
Adjunto un vídeo que explica el mismo concepto con la misma demostración que el vídeo de clickonphysics pero que apenas dura un minuto por lo que creo que no resulta tan pesado de ver.
A continuación podría hablarse de los tipos de dilatación que existen: volumétrica (que se corresponde con el primer vídeo), la lineal (el segundo vídeo) y la dilatación superficial.
Además, cabe añadir que los líquidos también sufren este fenómeno (dilatación volumétrica) como lo que pasa con el mercurio en los termómetros.
Experimentalmente se observa que todas las sustancias salvo excepciones se dilatan al aumentar la temperatura. Esta dilatación es normalmente pequeña en términos relativos. Sin embargo, cuando este fenómeno tiene lugar en la arquitectura o en la ingeniería, puede dar lugar a un gran problema práctico. Además, la dilatación térmica puede influir en nuestra vida cotidiana como por ejemplo; en la dilatación de las vías del tren, en la rotura de vasos de cristal ante cambios bruscos de temperatura o cuando se visualizan grietas en las construcciones de hormigón.
La asimilación del término dilatación térmica, enseñado desde el punto de vista conceptual, puede ser muy complicada. La visualización de vídeos o la realización de experimentos, puede ayudar al docente a desempeñar más fácilmente su función, al mismo tiempo que ayuda al alumno a entender mejor el concepto.
Cuando se aumenta la temperatura de un cuerpo, ya sea líquido o sólido aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, dando lugar a un aumento en las dimensiones del cuerpo, que se denomina dilatación térmica.
Como apuntaban mis compañeros, la dilatación puede ser un problema en la construcción de casas, puentes y carreteras, sobre todo cuando los materiales implicados son metálicos. En cuyo caso se deja un espacio para prevenir que la dilatación térmica pueda ocasionar torceduras o fracturas en la estructura. Sin embargo, la dilatación térmica tiene muchas aplicaciones como la medición de temperatura y el efecto de la deformación de los metales, principalmente, se puede usar para la fabricación de termostatos. Dejo un vídeo sobre la dilatación térmica del papel de aluminio.
Este é un efecto moi curioso que os alumnos xa o teñen experimentado pero sen saber o por que. Cando nos días de verán fai moito calor as portas metálicas que están ao sol dilatan e pechan mal (se o que as fixo non tivo en conta este efecto, normalmente non o teñen en conta). O único inconveniente deste experimento é ter que usar un chisqueiro, que pode ser perigoso para que os alumnos o fagan eles mesmos.
Retomando o exemplo anterior, poderíaselle pedir aos alumnos unha actividade na que se deseñase unha porta tendo en conta este efecto no metal usado e que tanto no inverno como no verán pechen ben, cada grupo, ou alumno tería que deseñala cun metal distinto.
O exemplo clásico da dilatación é o que acontece nas vías do tren. Antigamente solucionábase este problema coas xuntas de dilatación, que conferían o característico traqueteo dos convois. Porén, actualmente este problema solucionouse co desenvolvemento en 1992 da soldadura aluminotérmica, que confire á zona de unión entre diferentes tramos da vía unha dureza semellante á do resto do raíl. Velaquí unha explicación máis pormenorizada do asunto.
Otro experimento para comprobar la dilatación de los metales, se puede realizar con algo tan sencillo como el papel de aluminio, empleado en la cocina, ya que aunque no se note, cuando se pone el trozo sin recubrir de papel aluminio sobre la llama, éste se dilata. El problema es que los cambios son tan pequeños que se tornan imperceptibles.
El aluminio se dilata más que el papel común, es por eso que se curva hacia arriba, tal y como se observa en este vídeo. Este principio de la dilatación diferencial es muy utilizado para la fabricación de contactos eléctricos bimetálicos (compuestos por dos metales en vez de metal y papel como es este caso). Por ejemplo, dentro de la plancha que se usa para sacar las arrugas de la ropa, hay un dispositivo similar al que se explica en este experimento de física. Cuando llega a determinada temperatura, dicho bimetálico se dobla lo suficiente como para abrir un contacto eléctrico, el cual abre el circuito y la plancha deja de calentar. Cuando se enfría, vuelve a su forma habitual, el contacto se cierra y permite nuevamente el paso de la corriente eléctrica que comienza otra vez a calentar. Otra experiencia muy simple para comprobar cómo se dilatan los metales en clase, es la que se ilustra en el siguiente vídeo.
Una aplicación muy interesante y peculiar sobre la dilatación metálica, son las láminas bimetálicas. Son aquellas láminas compuestas por 2 metales distintos soldados entre si. Como estos metales tienen diferentes coeficientes de dilatación, al calentarse estando unidos, el metal que más se deforma con la temperatura arrastra al otro provocando una deformación conjunta. A temperatura ambiente, estas láminas mantienen una forma rectilínea, pero cuando se calientan, pasan a tener una forma curva. Sus aplicaciones son múltiples y variadas: termostatos, termómetros analógicos, circuitos de protección térmica, destelladores, reguladores de voltaje, temporizadores, fusibles automáticos (magneto-térmicos), planchas, tostadoras, etc.
En este vídeo muy simple, práctico y sencillo se comprueba que la dilatación de los metales se puede aplicar en la fabricación de termostatos físicos muy simples y muy útiles.
Casi todos los sólidos se dilatan cuando se calientan y se encogen al enfriarse. Esta dilatación o contracción es pequeña, pero sus consecuencias son importantes. Por ejemplo, un puente de metal de 50 m de largo que pase de 0° a 50°C podrá aumentar unos 12 cm de longitud; si sus extremos son fijos se engendrarán tensiones sumamente peligrosas por eso se suelen montarlos sobre rodillos, como puede verse en el siguiente enlace. En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este intersticio es el causante del traqueteo de los vagones. En el siguiente vídeo se puede ver cómo cuantificar cuánto se dilata un metal al someterlo a calor. Otros ejemplos de dilatación térmica son los termómetros de mercurio, el mercurio es un metal que al ser calentado, se dilata y asciende por el tubo capilar. En las carreteras de hormigón, a intervalos regulares se coloca material asfáltico para absorber las dilataciones producidas por el calor sino la construcción saltaría en pedazos en los días de mucho sol, al igual que en los puentes. Esto mismo sucede en los suelos con baldosas, si se ponen demasiado juntas, se resquebrajan. El vidrio común es un mal conductor del calor y se dilata, si se echa agua hirviendo en un vaso grueso, la parte interior se calienta y expande mientras que la parte exterior queda fría y encogida, por lo que el recipiente acaba rompiéndose. Esto se evitaría si se colocase una cuchara, que al ser capaz de absorber calor, se neutralizaría en parte el brusco cambio de temperatura y seguramente no se rompería el vaso. Si se hiciera lo mismo con un vidrio pyrex, no habría temor a la rotura del recipiente porque su coeficiente de dilatación es muy bajo.
El concepto de la dilatación de los cuerpos sólidos lo situamos en el curso de Física y Química de 2ºESO en el B5.8 Efectos de la energía Térmica. El proceso de dilatación de los cuerpos sólidos lo encontramos en nuestra vida cotidiana en la dilatación de los neumáticos de caucho de los coches,en los sistemas de tuberías, los cables del tendido eléctrico…este proceso también ocurre con los líquidos y los gases como la expansión de las burbujas cuando se abre una botella o el mercurio en los termómetros. A continuación adjunto el siguiente enlace donde deja claro este proceso.
A través de esta experiencia manipulativa se pueden explicar fenómenos de expansión térmica comunes en la vida cotidiana, por ejemplo, en verano cuando hace calor los portales metálicos de no cierran bien y esto se debe a la dilatación térmica o el caso de las juntas de dilatación en las vías de los trenes o las ventanas enmarcadas en metal que necesitan espaciadores de goma, etc… Estos ejemplos son causa de la expansión térmica que es el aumento del volumen de un material a mediad que se aumenta su temperatura.
La mayoría de los materiales sufren procesos de dilatación térmica al aumentar la temperatura. Esto afecta a todos los estados de agregación de la materia. Esta dilatación se debe a que cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y en consecuencia el cuerpo aumentará su volumen. En este vídeo explica claramente que sucede.
Con esta actividad se muestra fácilmente la dilatación de un sólido. Esto es muy interesante, ya que debido a que los sólidos tienen fuerzas de cohesión más fuertes, su dilatación es generalmente más difícil, y esta experiencia puede ayudar a entender el proceso.
Además, el proceso de dilatación térmica es muy importante a la hora de construir estructuras como vías de tren, carreteras, las calles, donde se utilizan juntas de dilatación para evitar que produzcan daños en los materiales cuando sufren estos procesos de dilatación y concentración térmica.
Relacionado con el concepto de dilatación hay experimentos muy originales. El balancín Lichtwippe es un curioso ejemplo de este fenómeno. Se trata de un balancín que tiene un contrapeso sujeto con ayuda de un muelle. Cuando el muelle se calienta el metal se dilata y el contrapeso se mueve, a continuación el muelle se enfría, el metal se contrae y el contrapeso vuelve a su situación inicial, de forma que el balancín se mantiene en movimiento hasta que la fuente de calor se apague.
Leyendo los comentarios de esta publicación, veo que muchos coinciden en que no todos los materiales se dilatan al calentarlos y un ejemplo de ello son las gomas elásticas. Las gomas elásticas están formadas por polímeros que son largas cadenas de unidades simples (monómeros) unidas mediante enlaces covalentes. Efectivamente, al calentar el material se produce un mayor movimiento de las moléculas del material lo que origina que esos polímeros se enreden haciendo que la longitud de estos sea aparentemente menor. Al enfriar, las moléculas en reposo no se produce ese enmarañamiento de la cadena originando un polímero cuyos monómeros están colocados ordenadamente. En este enlace se ve tanto cómo se produce la contracción y la dilatación del material como la explicación de una forma visual.
Experimento para explicar de un modo sencillo los fenómenos que ocurren entre las partículas de la materia, la agitación térmica al aumentar la temperatura lo que conlleva al aumento del tamaño del sólido (dilatación). Un modo alternativo para la realización de un experimento similar sería emplear una arandela metálica pequeña, un frasco de cristal con tapa metálica, un vaso con agua, fuego y una pinza de ropa de madera como se ve en el siguiente vídeo.
Los cuerpos aumentan su tamaño por un aumento de la temperatura debido a procesos de dilatación térmica. Todos conocemos los típicos ejemplos de las vías del tren, las grietas del pavimento, el mercurio de los termómetros y los balones con poco aire que se hinchan cuando se dejan al sol. En todos estos casos, el aumento de temperatura hace que las partículas de los cuerpos aumenten su velocidad y requieran más espacio para moverse y por eso el cuerpo necesita aumentar su volumen. Esta dilatación afecta a todos los estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gas) pudiendo ser lineal, superficial o volumétrica en el caso de los sólidos. Cada material presenta un coeficiente de dilatación que mide el cambio relativo de longitud, superficie o volumen de un cuerpo dentro de un recipiente debido a un cambio de temperatura.
Me parece muy útil esta web como apoyo a determinadas explicaciones de física porque tiene contenidos de diferentes niveles y con ejemplos de ejercicios relacionados. Otros ejemplos de experimentos sencillos para visualizar la dilatación térmica se pueden ver aquí.
En este experimento sencillo podemos analizar el efecto de la dilatación en un cuerpo metálico, y además nos permite medir el alcance de este efecto. Con él podemos medir los grados que desplaza el alambre que previamente hemos colocado verticalmente y de esta forma ir observando como este efecto se produce de manera gradual, cuanto más calentamos el tubo, más se desplaza el alambre. Además podremos también observar el efecto contrario, ya que al apagar las velas, el tubo se irá enfriando y volverá paulatinamente a su estado original. Podríamos también colocarle un cuerpo puntiagudo en el extremo para que rompiese una hoja de papel que colocaríamos el vertical.
Este fenómeno é moi importante na construción como xa moitos salientaron nos comentarios anteriores. Un elemento cotiá no que nos podemos enfocar é o asfalto, Galicia ten ó redor da metade dos núcleos de poboación de España (segundo como os definan) e isto tradúcese en moitas careteras cun mantemento deficiente. Mediante a observación das crebaduras nas pistas de monte (que soportan menos tráfico e menos pesado pero maior inclemenza do clima) podemos tamén observar un modelo de meteorización mecánica.
La dilatación….un fenómeno que es identifican fácilmente en ciertos materiales, sin embargo, por experiencia, a los alumnos les cuesta “ver” que esto ocurre en los metales. Con esta actividad es una forma sencilla de que puedan comprobar que en los metales también existe dilatación.
Interesante e doada experiencia que nos permitirá explicar o concepto de dilatación de materiais ó alumnado de secundaria.
Os alumnos seguramente terán en mente algunha porta de madeira que co tempo húmido se dilata xa que se enche de humidade e co tempo seco e con calor se contrae xa que está máis seca. Este feito tamén pode axudar a comprender o concepto da dilatación.
La dilatación térmica que podemos ver representada en el vídeo es la tendencia de la materia a cambiar su forma, su área y su volumen cuando es sometida a un cambio de temperatura. Un aumento de la temperatura hace que la energía cinética de las moléculas aumente, haciendo que vibren o se muevan más, ocupando más espacio, algo que se manifiesta a nivel global provocando la dilatación del material. Además, como se puede ver en el siguiente vídeo, la capacidad de dilatación varía de un metal a otro.
Estos cambios en el volumen debido a un incremento o descenso de la temperatura, y las diferencias entre los distintos materiales son muy importantes en construcción. Para controlar los movimientos producidos por estos cambios, se suelen usar juntas de dilatación. Cuando estas juntas fallan, y las tensiones producidas en el interior del material son superiores a la resistencia interna del mismo, se pueden provocar accidentes como los ocurridos en la autopista A-6 como pone en esta noticia de La Voz de Galicia, en donde el mal estado de las juntas de dilatación genera baches en el asfalto y pone en peligro la seguridad vial.
La dilatación térmica es un concepto que se imparte en diferentes cursos de física y química y que puede entenderse más fácilmente con los experimentos que se presentan en este proyecto. En la siguiente página web podemos encontrar ideas prácticas para realizar con el alumnado, entre ellas, un experimento de dilatación con una aguja de calcetar que permite observar la expansión del metal. También en el siguiente vídeo se observa la expansión del metal mediante un montaje sencillo y adaptable: se puede implicar al alumnado dando la posibilidad de emplear distintos materiales (en lugar de las zanahorias, por ejemplo) lo cual permite potenciar la creatividad del alumnado.
A dilatación térmica é un dos fenómenos que no mundo tecnolóxico se presenta como un dos retos a analizar en moitas implementacións e que pode ocasionar grandes problemas en caso de obvialo. A dilatación en pontes é un dos exemplos máis clásicos. No deseño de máquinas térmicas (motores, reactores…) ocasiona rupturas prematuras nas xuntas e de ahí que sexa preciso levar a cabo un cálculo preciso do tamaño das xuntas de dilatación. A continuación podedes encontrar outro bo exemplo dun experimento que explica o fenómeno de dilatación para nenos e onde, en caso de sufrir dilatacións, un elemento metálico non é capaz de atravesar e moverse a través do oco da tapa dunha botella. Este é un exemplo moi práctico para explicar o caso dun mecanismo no que, en caso de ter que desplazarse a través desa liña de movemento, quedará impedido para realizalo.
Todos los metales al calentarse aumentan de tamaño y se reducen al enfriarse. Este fenómeno se conoce como dilatación y contracción, respectivamente. En el diseño de estructuras como puentes o vías de tren es muy importante tener en cuenta los efectos de la dilatación térmica producida por las altas temperaturas. Asimismo, es importante también tener en cuenta las contracciones provocadas por bajas temperaturas. Aquí os dejo un experimento con un muelle para ver cuanto se dilata al aplicarle calor y de la dilatación de una barra de aluminio, con otra versión igual de visual y entretenida.
A veces los estudiantes piensan que lo que se estudia en las clases no tiene aplicabilidad en la vida real. Por ello, es muy importante dejar atrás las clases magistrales y realizarlas de modo interdisciplinarias. Un ejemplo a tratar podría ser la dilatación térmica, la cual está presente en nuestra vida cotidiana. Los materiales de construcción se ven sometidos a contracciones y expansiones que están ligados a variaciones de temperatura y de la humedad, por ello para controlar estos movimientos se recurre a las juntas de dilatación. Otro ejemplo son las ruedas de los coches, las cuales en verano están más infladas porque el aire contenido dentro de la misma, aumenta su temperatura, como consecuencia aumenta de volumen y la rueda dilata.
La estabilidad dimensional está directamente relacionada con el coeficiente de dilatación térmica y con el grado de absorción de la humedad de un material. Es un factor importante a tener en cuenta en muy diferentes campos: desde construcción de edificios (madera, materiales cerámicos, juntas de ventanas), automoción (cálculo de juegos en uniones móviles, tensiones en uniones adhesivas de materiales con diferentes coeficientes de dilatación térmica), diseño de maquinaria, diseño de piezas plásticas,… hasta materiales de odontología. En este enlace, se puede entender la importancia de la dilatación térmica en el diseño de maquinaria, y comprobar los coeficientes de dilatación de diferentes materiales: metálicos, plásticos, cerámicos, madera,…
Una forma muy visual de representar este fenómeno tan importante!! La dilatación térmica es un fenómeno importantísimo a tener en cuenta en la ingeniería de diseño y fabricación, campos a los que me dedico profesionalmente. Si obviamos este fenómeno tanto al diseñar como al fabricar casi cualquier elemento mecánico sometido a cambios de temperatura durante su funcionamiento es muy probable que este nunca llegue a funcionar. Existen muchos ejemplos donde este fenómeno es crítico, uno de mis favoritos son las vías de un tren, si no se tienen en cuenta la necesidad de juntas de dilatación a lo largo de estas, las vías perderán su paralelismo rápidamente con el cambio de estaciones, debido al cambio de temperatura entre el verano y el invierno. Otro ejemplo más relacionado con la fabricación sería, por ejemplo, el caso de estar mecanizando un material como el aluminio, mucho más sensible a los cambios de temperatura que el acero, durante un largo periodo de tiempo sin tener en cuenta las correcciones necesarias debido a los cambios de temperatura durante el proceso, la pieza finalmente obtenida no cumpliría las tolerancias requeridas y su funcionamiento no sería el esperado. En el siguiente enlace podemos ver lo que realmente ocurre dentro de la estructura del material para que tenga lugar estos cambios dimensionales. Y en esta web tenemos información de interés sobre este fenómeno y diferentes aspectos del mismo.
El fenómeno de la dilatación térmica es muy interesante (e importante!!) en la naturaleza. Aunque la mayoria de sólidos y líquidos se dilatan al aumentar la temperatura, existen algunas excepciones, sin las que la vida tal y como la conocemos no sería posible. En la siguiente presentación de Prezi se explica el comportamiento anómalo del agua, y como esto permite la vida acuática en lagos cuando se congelan. Como se ha mencionado anteriormente en el hilo de comentarios, es importante que los alumnos conecten los fundamentos teóricos aprendidos en clase con fenómenos naturales o industriales. En este caso, también las excepciones a la norma son de interés.
A temperatura xunto coa presión controlan as distancias que existen entre as moléculas que forman un material. Polo tanto, a dilatación ou contracción dos materiais. Existen formas de calcular a dilatación térmica lineal dun determinado material ao sometelo a varaicións de temperatura. No seguinte enlace están os pasos seguidos para a realización desta práctica.
Este experimento siempre será la mejor representación de la necesidad de tener en cuenta este fenómeno en cada material utilizado. Los mejores ejemplos con los que me encontré a lo largo de la secundaria fueron los puentes y las vías del tren, siendo esta última la anécdota más utilizada por los docentes. Con esto, se pueden trabajar otros campos también, pues este fenómeno se debe prevenir en la mayoría de sus casos pero puede utilizarse a favor para conseguir interruptores, medidores, etc. En el siguiente experimento usan una vara de metal y una aguja para comprobar como funciona, teniendo una demostración muy visual de los posibles usos.
Como comentaba Iago, este fenómeno se convierte en crucial en construcción, especialmente cuando se trata de construcción de grandes dimensiones, como son las vias del tren o los puentes. Pero también en la construcción de edificios, haciendo necesaria la creación de juntas estructurales cada 25 metros, “separando” los edificios en varias partes, con juntas elásticas intermedias, que absorban esos movimientos, o haciendo uniones pasantes, que puedan “deslizarse”, en función del aumento o reducción del material.
En una escala mucho más pequeña, cuando por ejemplo se coloca un suelo radiante, se debe dejar una holgura perimetral, para que el suelo pueda aumentar o disminuir, sin “asfixiarse” entre las paredes de una habitación, y poder llegar a agrietarse.
Este fenómeno da explicación ao porqué de moitas construcións que deixan certo espazo entre materiais, sen ir máis lonxe o exemplo máis claro e máis mítico quizais sexan as vías do tren. Estas cada X metros teñen certa separación pois o meterial do que están feitas sofre unha dilatación considerable e de non manterse esa distancia en verán ocurrirían catástrofes.
Esta experiencia es bien sencilla y los alumnos podrán comprobar en sus propias manos lo que es la dilatación térmica de un metal al calentarlo. Podríamos también utilizar un anillo que a temperatura ambiente no permitiese pasar la bola y comprobar que enfriando la bola, sí pasaría debido a la contracción por frío.
El video muestra de manera muy clara un concepto que no puede observarse a simple vista, por lo que este ejemplo ayuda a simularlo. Sería interesante poder realizarlo con varios materiales y relacionarlo con las propiedades de los mismos. Además de la construcción civil, el fenómeno de la dilatación tiene grandes implicaciones en el diseño de productos y mecánica de precisión (tolerancias de diseño y ajustes necesarios entre piezas) así como en el campo de la metrología dimensional. Buscando sobre el tema de recursos educativos y gamificación he encontrado este interesante artículo para distintos niveles educativos.
Una manera muy fácil de explicar un concepto como el de la dilatación. También se podría explicar la dilatación de los líquidos como el caso del mercurio, que se utilizaba en los termómetros hace no muchos años, ya que cuando la temperatura aumenta, el mercurio sube por el capilar debido a la dilatación. Por otro lado dejo un vídeo con otra experiencia que se podría llevar a cabo en clase.
¡Qué experimento tan sencillo y tan ilustrativo! Me parece también de gran interés el que dejo a continuación en el siguiente vídeo y el cual se podría realizar en el aula así como en casa por parte del alumnado. Muy simple pero muy visual y de fácil comprensión.
Es importante tener claro el concepto de la dilatación/contracción por cambio de temperatura. En los procesos de fabricación como la soldadura de metales, este fenómeno es muy importante de controlar debido a que la concentración de elevadas temperaturas en zonas concretas (cordones de soldadura), generan dilataciones en las zonas colindantes que tras la unión y enfriamiento de la soldadura producen zonas de tensión. Por ello, conociendo fenómenos como el de la dilatación, podemos prever estos efectos, minimizarlos o corregirlos después.
La dilatación es un fenómeno que afecta notablemente el control geométrico de piezas en la industria, especialmente en aquellos sectores, como la automoción, donde los intervalos de tolerancia son del orden de milímetros. Para ello son necesarios unos laboratorios metrológicos a temperatura constante. Las piezas que se van a medir, junto con los soportes que se utilizarán para la medición, se tienen que almacenar el tiempo suficiente para que tengan una temperatura constante, lo que supondrá un retraso en la medida de la pieza.
Este retraso puede acarrear, si la medición está fuera de las tolerancias permitidas, aumentar el número de piezas que se tienen que revisar.
Como bien se comenta, al exponer el material a tan altas temperaturas, la agitación de las partículas provoca la dilatación del material, ampliando sus dimensiones. Esto tiene consecuencias importantes en algunos casos, por ejemplo, a la hora de fabricar determinadas estructuras, como las vías del tren. La exposición de estas estructuras a altas temperaturas puede provocar deformaciones consecuencia de la dilatación. Para arreglar esto y que los trenes de alta velocidad pudieran circular sin problemas han logrado diseñar unas soldaduras especiales que absorben estas dilataciones. Este tipo de arreglos se puede ver también en carreteras, donde las juntas de dilatación permiten la correcta circulación por puentes y demás estructuras sin que las altas temperaturas puedan alterar de manera negativa el estado de la vía. Por todo esto, el conocimiento de este fenómeno es importante para que los alumnos entiendan cómo puede influir en el día a día y la importancia del conocimiento de este tipo de conceptos. Además se trata de un experimento sencillo y breve que puede acompañar la explicación teórica fácilmente.
El primer experimento me parece muy visual para comprender la dilatación térmica de un material. En este enlace se hace otro experimento que se puede hacer en casa y que consiste en abrir un frasco aprovechando la dilatación térmica, y además así, comprender también el concepto de coeficiente de dilatación, ya que cada material se dilatará de forma distinta.
Personalmente me gusta más el primer experimento que el segundo. Es más visual ver cómo la bola no entra por el anillo después de calentarse. Este experimento se enlazaría con todas las implicaciones que tiene la dilatación de los materiales en sectores como la construcción, sector ferroviario, automoción, aeronáutico y muchos otros. Es importante que el alumnado interiorice que las condiciones de aplicación de un material son fundamentales a la hora del diseño y la construcción. Hay que hacer el trabajo previo de analizar en qué entorno se va a utilizar ese material para tener en cuenta aspectos como la dilatación.
Quero aproveitar para aportar doutro tipo de dilatación. Aparte da dilatación dos materiais, temos tamén a dilatación do tempo que vai ligado a unhas das teorías máis famosas de Albert Einstein: a Teoría da Relatividade. Neste artigo de SCIENTIFIC AMERICAN describe que os experimentos nun acelerador de partículas en Alemania confirmaron que o tempo móvese máis lento para un reloxo en movemento que para un estático. Dese modo, o dano na pel polo estrés nos pilotos de carreiras deportivas automobilísticas por ires a tan alta velocidade, vese en parte compensando …
La dilatación térmica de los materiales es el aumento de volumen, generalmente imperceptible, de un cuerpo durante la elevación de su temperatura a presión constante. Esta dilatación se explica por el aumento de la agitación térmica de las partículas que forman el cuerpo. Si el cuerpo es largo, su dilatación será especialmente preceptible en el sentido de la longitud: se habla entonces de su dilatación lineal. Si la dilatación térmica es de pequeña amplitud, desarrolla sin embargo una fuerza muy grande, que por lo tanto, es necesario tener en cuenta en las construcciones como por ejemplo: entre los edificios existen juntas de dilatación.
Un tema recurrente de la asignaturas de fabricación que he cursado en el grado de Ingeniería Industrial es el de las tolerancias y los ajustes (conceptos muy importantes en este campo). Un ajuste es la denominación general de la relación entre dos piezas encajadas, consecuencia de las diferencias de medida entre ellas antes del encaje. Ejemplos de estas relaciones son elementos como árbol-cojinete, tornillo-tuerca, calibre-verificador. Existe un ajuste denominado ”ajuste con apriete” que es aquel en el que la medida del eje es mayor que la del agujero en el que se debe encajar. Pues bien, estas dos piezas se encajan por la acción de la temperatura sobre el eje. El eje es sometido en primer lugar a temperaturas bajas con el fin de que se produzca una contracción en el mismo (disminuya su volumen), luego se introduce en el agujero de la pieza en la que debe encajar, y finalmente y debido a la dilatación provocada en el mismo al volver a ser expuesto a una temperatura mayor (normalmente la temperatura ambiente) aumenta de volumen y queda fijada por apriete (presión) a la otra pieza que forma el conjunto. Esta es otra de las múltiples aplicaciones de los fenómenos de dilatación y contracción en el mundo de la industria para la producción en serie de piezas.
A dilatación ou expansión térmica de sólidos é consecuencia dos cambios de separación entre os átomos constituíntes do obxecto. Cando a temperatura aumenta nun sólido ou nun metal, os átomos vibran chocando entre sí, de forma desordenada, producindo un aumento na amplitude e a frecuencia, como un resultado dunha separación promedio do seu incremento.
Algunhas das aplicacións nas que se pode observar este fenómeno na nosa vida cotiá son: tuberías que trasportan vapor (calefactores), termostatos (úsase como interruptor térmico), xuntas de dilatación (empregadas en pontes de ferro) e a tira bimetálica (usado como sistema de control termostático, luces intermitente e tamén como termómetro). Porén, como ben mencionan algunhas compañeiras, é importante no ámbito da construcción ter en conta este fenómeno, posto que de non ser así podería ocasionar danos moi graves.
En referencia ao experimento, comentar que na miña opinión paréceme moi sinxelo de realizar e moi ilustrativo.
La dilatación es un factor muy a tener en cuenta no solo en grandes construcciones, como apuntan la mayoría de comentarios, sino que también debe tenerse en consideración a una escala más pequeña (como comentan, por ejemplo, para abrir un frasco valiéndose de esto). En un laboratorio en el que se vaya a trabajar con fluidos que puedan variar bruscamente su temperatura es necesario emplear materiales que resistan bien esos cambios de temperatura, y es por esto que el equipo de laboratorio de vidrio de buena calidad normalmente está hecho de borosilicato, ya que el óxido bórico disminuye el coeficiente de dilatación del vidrio, haciendo que sea más resistente, como explica este enlace.
Un ejemplo curioso es la dilatación térmica en la Torre Eiffel. El hierro de su estructura es sensible a las variaciones térmicas, por lo que reacciona a temperaturas altas en verano y a temperaturas bajas o incluso negativas en invierno. Cuando suben las temperaturas, es posible que la Torre crezca un poco, unos centímetros. La expansión también hace que la Torre se incline ligeramente hacia el lado opuesto al sol. El sol solo «pega» en uno de los 4 lados de la Torre, creando así un desequilibrio con los otros 3 lados que permanecen estables, lo cual provoca que la Torre Eiffel se incline. Así, con la progresión del sol en el cielo, la parte superior de la Torre puede formar en un día soleado una curva más o menos circular de unos 15 centímetros de diámetro. Por el contrario, cuando el clima se enfría en invierno, la contracción térmica de la estructura metálica está en marcha, lo cual también puede hacer que pierda algunos centímetros. Estos cambios de estado son naturales e ínfimos, no ejercen ningún impacto en la solidez de la estructura y son absolutamente indetectables para los visitantes u observadores.
Me ha parecido muy llamativo el comentario de Andrea, que comenta que debido a la dilatación térmica, la Torre Eiffel aumenta su tamaño cada verano en hasta 15cm. Como no me lo creía al principio, he buscado información en internet, y en la siguiente web se hace un cálculo estimado del crecimiento de la Torre Eiffel. Por otro lado, la dilatación está matando la Torre Eiffel!! Estos pequeños movimientos inducen una fatiga en el metal que lo debilita a largo plazo, del mismo modo que un cable de hierro que acaba rompiéndose al plegarlo varias veces seguidas. Se podría pensar que harían falta alrededor de mil años para vencer a la Torre, obviamente, esperamos que durante este periodo se hagan todas las reparaciones necesarias para que esto no suceda.
El fenómeno de la dilatación se emplea a nivel industrial en dispositivos muy sencillos que se emplean para la medida de temperaturas. Los sensores bimetálicos son los habituales en los termostatos y su funcionamiento se encuentra detallado en el siguiente enlace.
Un experimento muy sencillo de hacer teniendo en cuenta esta propiedad, es meter una mano con anillos en agua fría, cuando baja un poco la temperatura de los dedos, el anillo sale de una manera mucho más fácil. Así pueden comprobar que pasa con todos los materiales.
A dilatación térmica é un fenómeno que ocorre xa na propia natureza, é un dos fenómenos erosivos máis importantes en hábitats como o deserto ou aqueles onde a auga chega a conxelarse e desconxelarse ó longo do día. Tamén é utilizado pola tecnoloxía, nas xuntas de dilatación ou nos elementos de protección de circuitos eléctricos, con condutores bimetálicos con dilatacións distintas.
Fai uns anos pasei un verán no Reino Unido no que sufrín a peor ola de calor da historia do país ata esa data. Unha das cousas que me chamaron máis a atención foi a cancelación de trenes pola perigo que supuña a dilatación e deformación das vías. Supoño que na construcción é super importante a elección de materiais e deixar espazo para as xuntas de dilatación.
Con isto da dilatación sempre tiven unha dúbida. Os instrumentos construidos con metal como a trompeta ou o saxofón cando fai moito calor a afinación sube é dicir, a frecuencia da vibración aumenta. Sen embargo, se co calor o metal dilátase o tubo debería ser mais longo e por tanto a nota debería ser mais grave (menor frecuencia da vibración). Onde está o meu erro?
Un experimento muy práctico para poder mostrar claramente la influencia de la temperatura en la dilatación de los materiales. Es bastante útil para entender sobretodo la importancia de las juntas de dilatación en construcción. Aunque el primer caso es interesante, me parece mucho más visual el segundo experimento en el que se puede apreciar el incremento de tamaño. Incluso sería interesante probar con diferentes materiales para comprobar sus diferentes propiedades.
Un experimeno muy sencillo, visual e interactivo en el que los alumnos lo podrán ver casi como si de un truco de magia se tratará. Es un experimento fácil para explicar un concepto muy importante como la dilatación. Este fenómeno se puede apreciar en multitud de fenómenos, incluso a la hora de comprar ropa o calzado en verano o invierno, podremos apreciar un ligero cambio en cuanto al talle de los materiales. Por eso siempre dicen que se recomienda comprar las zapatillas en verano, puesto que si no al dilatarse se te pueden quedarse pequeñas.
Una aplicación interesante que utiliza el principio de dilatación térmica será el de los grifos termostáticos. Muchas veces hemos experimentado como a la hora de ducharnos la temperatura del agua varia de forma repentina sin que tocáramos el mando regulador de la temperatura. Esta incomodidad se puede deber a que la caldera de gas que calienta el agua se encuentra alejado de la ducha; el termostato de la caldera tarda en responder a las demandas de temperatura del agua en la ducha. Los grifos termostáticos intentan solventar este problema ofreciendo una temperatura estable (según la temperatura de consigna que hayamos establecido) en todo momento. Esto lo realiza utilizando el principio de dilatación térmica: “Los grifos termostáticos tienen un mecanismo en su interior que consta de un filtro y un casquillo metálico en forma de cilindro, este cilindro dispone de juntas tóricas, dos secciones con perforaciones y otro cilindro de nylon en su interior equipado con una válvula térmica de cobre con parafina en su interior. El cuerpo del grifo dispone de dos entradas de agua, caliente y fría. El agua se cuela por las ranuras del filtro del grifo alcanzando el cilindro perforado. En este momento el agua caliente alcanza el cilindro de nylon entrando en contacto con la válvula de cobre. La temperatura hace que la parafina en el interior de la válvula dilate empujando el cilindro de nylon y permitiendo la entrada de agua fría.”
Un ejemplo muy visual ocurre en verano, cuando aumenta la temperatura, al poner y quitarse anillos. Cuesta más hacerlo en esta época del año debido a la dilatación, explicando de forma sencilla este fenómeno.
Quisiera contaros una anécdota que ha hecho que nunca me olvide del fenómeno de la dilatación, y es una forma de acercar los conceptos al alumnado. Cuando era pequeño, cruzaba todos los días el Puente de los Tirantes de Pontevedra para ir al colegio. Todos los niños de mi generación nos fijamos que tenía una “brecha” de unos 10 cm a través de la cual se veía el agua del río. Me causaba un poco de impresión, siempre la saltaba, pues tenía miedo de atraparme el pie. Se veía parecido a esta imagen. La única explicación que encontraba de pequeño era que se quedaron sin materiales y dejaron el hueco para ahorrar. Muchos años más tarde, un profesor nos explicó qué era la dilatación térmica y que era el motivo por el cual alguno puentes tenían un hueco. Nos explicó que un puente compacto, si aumentaba de longitud, podía arrugarse como un acordeón y romperse.
Experimento moi sinxelo para explicar este fenómeno, non estaría de máis nos vídeos, utilizar distintos materias para comprobar os distintos coeficientes de dilatación
Experimentos de dilatación de materiales qué recuerdan cómo en estructuras civiles es de suma importancia dotar a estas, de juntas de dilatación. Si no existen, pueden darse importantes problemas en la estructura. A raíz de comentarios anteriores, aprovecharé para citar otro de los casos más interesantes de fallas estructurales, el famoso fallo estructural por colapso, que se presenta cuando las resistencias de una estructura no direccionan las cargas hacia sus apoyos, haciendo que sus resistencias internas no estén disponibles y se presente una ruptura de la estructura (Por ejemplo: Puente de Broughton- resonancia frecuencia inducida paso del ejército).
Es un experimento curioso y visual, ya que normalmente a los alumnos les cuesta imaginarse un concepto como la dilatación en un material como el metal; aunque, sin embargo, sea un fenómeno muy presente en su día a día en estructuras como, por ejemplo, puentes de su entorno.
Interesante experimento y una manera muy visual de acercarnos al concepto de la dilatación térmica. Como comenta algún compañero, sería interesante tener diferentes materiales para ver de manera cualitativa la dilatación de cada uno de ellos. También se puede hacer una aproximación a la teoría, realizando mediciones y graficando la dilatación frente a la temperatura. Interesante introducir la excepción del agua, material que es menos denso en estado liquido que sólido, es decir, al calentar el hielo, su volumen disminuye. Existen otros materiales con características símilares, lo que se conoce como dilatación térmica negativa, propiedad muy interesante para diferentes aplicaciones industriales.
Este fenómeno es el que obliga a estructuras como puentes a tener juntas de dilatación cada cierta longitud, para evitar problemas estructurales con los cambios de temperatura entre el día y la noche o entre las distintas estaciones. Además, en zonas con cambios de temperatura elevados entre la noche y el día, la repetición de ciclos de dilatación-contracción puede acabar por romper ciertos materiales, con lo que habrá que emplear materiales que presenten resistencia a este tipo de fatiga.
Es muy interesante este experimento ya que de manera muy simple se puede ver como funciona la dilatación térmica. En este caso, el experimento muestra la dilatación térmica en los sólidos que es menor que la dilatación de los líquidos y los gases. La dilatación térmica de los sólidos es muy importante para la construcción. Un ejemplo de esto son las vías de los trenes, ya que hay que tener en cuenta que por culpa de la dilatación térmica, en verano el metal se dilatará y si no se dejase un pequeño espacio entre las piezas se podrían deformar. Como se puede apreciar en el siguiente enlace. Como he mencionado antes, los líquidos también sufren la dilatación térmica. En los termómetros se utiliza este principio para poder marcar la temperatura, como se puede leer en este artículo.
Debido a los problemas que acarrean los cambios en el volumen de los metales, a veces es necesario la utilización de un material más estable como podría ser el Invar, una aleación de hierro y níquel que hoy en día es ampliamente utilizado en la fabricación de utillajes, instrumentos de precisión, galgas extensométricas, relojes, en motores de muy altas prestaciones (válvulas y partes del cigüeñal y pistones), sensores de temperatura y termostatos bimetálicos… etc
La dilatación está presente en el día a día en los diferentes objetos metálicos que pueden estar a la exposición de la luz solar, cuando les da el sol se pueden escuchar los sonidos que estos objetos metálicos producen en sus juntas por la dilatación. En este experimento se puede ver de forma rápida como al calentar la bola metálica, esta ya no coge por el agujero que pasó inmediatamente antes de calentarla. El ejemplo del segundo video también es válido aunque no es tan visual.
Una experiencia visual con objetos cotidianos que ejemplifica y clarifica el fenómeno de la dilatación térmica: el aumento de longitud, superficie o volumen que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura por cualquier medio. En el siguiente vídeo tenemos más ejemplos con diversos objetos de metal: moneda, llave…
La dilatación térmica no siempre es algo indeseado que tratamos de evitar con una junta de dilatación para evitar la fractura de materiales, etc. Si no, que hay usos muy interesantes de la dilatación térmica como es su empleo en las alarmas contra incendios, en la que se aprovecha el par bimetálico como se recoge en el vídeo. Otro uso del par bimetálico se encuentra en hornos a modo de termostato.
El concepto de dilatación tiene muchas situaciones cotidianas con las que lo podemos relacionar siendo mucho más sencillo para los alumnos entender el concepto.
Aquí podemos observar otro experimento en el que se puede ver y comprobar el efecto de la dilatación térmica. Todos los materiales presentan en mayor o menor medida una cierta dilatación, debido a que al aumentar la temperatura aumenta la distancia entre las partículas, aunque en algunos es imperceptible. La dilatación térmica está presente y se debe tener en cuenta en muchos aspectos de la vida cotidiana, por ejemplo, en la construcción de puentes y carreteras en los que a través de las juntas de dilatación se da margen para la expansión del material y se evita la fractura; o en el mercurio de los termómetros en los que se aprovecha la expansión de este líquido para medir la temperatura.
En este caso, sí que me parece un buen experimento para adentrarse en la termodinámica ya que me parece un experimento muy sencillo, muy visual y con muchas adaptaciones rutinarias para adentrarse en un tema que, a priori, se considera complejo. Con este experimento podemos “quitar el miedo” a la termodinámica y a la ciencia en general al alumnado e incluso aumentarle su interés.
Al igual que la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y dilatación son propiedades muy importantes a la hora de seleccionar un material para cualquier funcionalidad. Las propiedades de los materiales se empiezan a explicar en Física y química de 2º de la eso, por lo que sería interesante de incluir en el curriculo del bloque 2. Con este experimento los alumnos pueden entender el porque de la utilización de ciertos materiales para distintas aplicaciones u objetos: radiadores, motores, aislantes de una casa… Es un experimento muy sencillo y barato de incluir en la dinámica activa de la clase para que desarrollen aprendizaje significativo. Durante la actividad se puede preguntar que creen que pasará y por que, para así abrir un debate entre ellos y ver hasta donde llegan sus conocimientos previos. Como he dicho es un experimento sencillo que ayuda a los alumnos a ver un caso real y asimilar mejor un concepto básico e importante como la conductividad térmica.
Además de explicar qué es y cómo funciona el proceso de dilatación, me parece interesante que el alumnado entienda la importancia del mismo. Un claro ejemplo que probablemente todos y todas conozcamos es el colapso del Puente de Tacoma Narrows, conocido como el “Galloping Gertie”, debido a cálculos incorrectos de dilatación térmica. El puente fue inaugurado en 1940 y, desafortunadamente, colapsó solo a cuatro meses de su apertura. La causa principal del colapso fue la resonancia aerodinámica inducida por el viento, pero la contribución de la falta de consideración de la dilatación térmica también fue un factor importante.
El ingeniero a cargo, Leon Moisseiff, no tuvo en cuenta adecuadamente la expansión y contracción térmica de los materiales. Durante el día soleado, los cables del puente se calentaban y se expandían, y en la noche, cuando se enfriaban, se contraían. Estos cambios térmicos provocaron tensiones en la estructura del puente. La falta de juntas de dilatación y la rigidez insuficiente para permitir la expansión y contracción condujeron a tensiones adicionales, contribuyendo a la inestabilidad estructural.
Todos los materiales sufren algún tipo de dilatación, ya que la transferencia de calor está presente en mayor o menor medida. La dilatación puede observarse en la vida cotidiana en los vehículos, en particular los neumáticos. En verano, sufren las elevadas temperaturas y en consecuencia, hacen que tengan un mayor desgaste y puedan sufrir pinchazos o reventones.
Otro experimento alternativo que podemos realizar en casa lo vemos en el siguiente enlace, donde con solo unas botellas de agua, globos, agua helada y agua hirviendo se puede observar como los globos se hinchan o deshinchan, debido a que las moléculas del aire se dilatan por acción del calor y también contrayéndose debido al frío.
A dilatación (e contracción) dos materias debido aos cambios de temperatura poden chegar a ser desastrosos en moitos casos. De feito, na asignatura de Resistencia de Materiais danse as ferramentas necesarias para poder levar a cabo o cálcula das tensións térmicas, as cales poden levar á deformación plástica de corpos e estruturas.
Explicar la dilatación térmica a los estudiantes es importante e interesante porque les proporciona comprensión sobre un fenómeno físico presente en la vida cotidiana y en diversas disciplinas como la ingeniería. Permite desarrollar habilidades de observación, conexión de conceptos científicos y aplicaciones prácticas, estimulando el pensamiento crítico y la resolución de problemas. Además, ofrece perspectivas sobre cómo los cambios de temperatura afectan el diseño de estructuras y objetos, promoviendo la apreciación de la ciencia en su entorno.
Interesante experimento, puesto que, a primera vista no se aprecia diferencia en el volumen del material antes y después de ser calentado. En un aula, podría ser interesante explicar este fenómeno acompañado de ejemplos de aplicaciones de esta propiedad en la vida real. Uno de esos ejemplos puede ser la junta de dilatación de puentes y viaductos, que va a permitir que esas estructuras tengan la suficiente flexibilidad sin verse comprometidas estructuralmente ante los cambios de temperatura.
La dilatación térmica no solo tiene aplicaciones prácticas, sino también consecuencias curiosas. Por ejemplo, en astronomía, los telescopios terrestres enfrentan desafíos debido a este fenómeno. Durante la noche, las estructuras metálicas del telescopio pueden contraerse al disminuir la temperatura, alterando su alineación y precisión. Por ello, los telescopios modernos incluyen sistemas de compensación térmica que ajustan automáticamente las posiciones de los espejos y las lentes para mantener una observación estable. Esto demuestra cómo la comprensión y gestión de la dilatación térmica es esencial en áreas tan diversas como la construcción, la física experimental y la exploración espacial.
Este experimento práctico permite ilustrar de manera tangible el concepto de expansión térmica, un fenómeno presente en muchas situaciones cotidianas. Con las temperaturas altas, en verano, o en invierno, con las temperaturas bajas. Tengo un vívido recuerdo de cuando mi papá me explicó este fenómeno mientras viajábamos en tren, en un crudo invierno, cuando yo tenía solo 5 años…