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 ■熱膨張

夏の暑い日差しの中でふと考えた事、熱膨張。

小学生の理科の実験で、冷えてる鉄の玉はギリギリ輪を通るのに、
熱した鉄の玉は輪を通らない、そんな実験があったと思います。
鉄の玉を熱する事で、体積が膨張し輪を通らなくなるって習いましたね。

暑い部屋の中エアコンをかけてしばらくすると、エアコン本体から「ピシッ、パキッ」といった音がすると思います。
エアコンの本体が冷えた事により、今まで膨張していたのが今度は収縮し、接合部分のあちこちから
音が出ていると言われています。
故障ではないけど、正直びっくりするような音ですね。


そんな熱膨張ですが、体積が増える事で大敵とされている事があります。
それが電車が通るレール

レールも金属なので、夏の日だとどんどん膨張していって長さが変わっていくとされています。
長さが変わっていくことによる、ある不都合を解消する為に一定の間隔でレールに継ぎ目が設けられています。
電車の「ガタン、ゴトン」の音の正体は、ここから来ています。

しかし、継ぎ目があることは先ほどの音の発生や振動が起きてしまう為、できることなら継ぎ目を埋めてしまいたい所でしょう。
ここでもし継ぎ目を埋めてしまうとどうなるでしょう。この時に先ほど述べた通りある不都合が表に出てきます。

結論を言えば、レールが歪んでしまうようです。
半径2cmぐらいの鉄の玉なら膨張した体積の差は微々たるものですが、50Mもあるレールだとそうはいきません。
ちりも積もれば山となるとあるように、目で見て分かるように長さが変わってしまいます。
200Mも継ぎ目無しでレールを敷き両端を固定した場合、熱膨張であっという間に目に見えるほど歪んでしまいます。
一見大したことなさそうに見えますが、熱膨張による力は馬鹿に出来ないのです。


また、このような熱膨張が意外な天敵となっているパーツが存在します。
それが自動車のヘッドランプの球です。

よくヘッドランプの球を交換する際に、ガラスの部分を素手で触ってはいけないと聞く事があります。
このような理由にも、熱膨張が関わってくるんだと知りました。

普段、ヘッドランプの球は点灯した際非常に高温になります。
高温に晒される事で、(石英)ガラスも鉄と同じように膨張、収縮を繰り返しています。
この時、膨張した際に割れないようひずみによる力のかかり方が均一になるように、球の形状に工夫が凝らしています(さほどが細長い形状)。

もし球のガラスの部分を素手で触ったとしたら、その触った箇所に皮脂が付着するでしょう。
当然、ガラスと皮脂の成分は違うわけですし、膨張率も違うはずです。
となると、熱による膨張での力のかかり方が不均一になり、その皮脂が付いた部分だけにひずみが蓄積されていきます。
こうしてガラス内部にかかる力のバランスが不安定になり、ガラスが割れるなどの破損を招くようです。

皮脂の他にも、も大敵です。
ひずみが蓄積されるのは同じとして、傷の入ったところは強度的に脆くなっています。
結局ひずみのバランスが不安定になり、これまた破損を招く事態となるようです。
(破損の原理について間違っていたらすみません)


このように、精度が求められている部品にとって熱膨張による体積の変化は忌み嫌われている存在でもあります。
しかし、このような現象を逆に利用しているものもあります。

それが、電気の配線に使われる「ブレーカー」です。
ブレーカーには動作の要となる「バイメタル」が内蔵されています。
バイメタルとはそれぞれ膨張率の違う金属を2枚張り合わせたことで、熱によって反り返る性質を持たせたものです。
電気が流れている金属は、電流に応じて温度も上がっていきます。電気コンロを使っている方ならイメージしやすいでしょう。
過電流による大きな発熱→火災を防ぐ為に、その発熱を利用して反り返らせることによりスイッチを作動させ、安全に電気を遮断させるのがブレーカーの役割なのでしょう。
(全てのブレーカーがこうだとは限らないと思いますが・・・)


こういう風に、身近な現象を考えることにより「何故そうしなければならないのか」
「何故こういう風に動くのか」を楽しく知る事ができるのです。
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Comment

[135] 身近な所から”世界”を

意外な所に、いろんな技術が隠されていたりするものですよねー。
レールとヘッドライトの話は知ってましたが、ブレーカーの仕組みについては初耳でした。

ヘッドライトに限らず、車の整備などを行う際は必ず軍手をすることが必要ですね。ボンネットを開けてのエンジンオイルの点検時などは、もちろん手が汚れるのを防ぐのも大切ですが、火傷の防止とかにもなりますから。

ちなみにブレーカーにも種類があるようで、漏電を防ぐタイプや契約アンペアを超える送電量になったときに遮断するタイプなどがあるみたいですね。

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