الفيزياء

نبذة تعريفية عن عملية “التمدد والتقلص” التي تحدث للمواد

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

عملية تمدد المواد عملية تقلص المواد الفيزياء

كثير من المواد التي نستخدمها في حياتنا اليومية تتمدد عندما ترتفع درجة حرارتها وتتقلص عند انخفاضها، غير أننا لا نشعر بمثل هذا التغيير رغم أنه دائم الحصول من حولنا.

لاحظنا في النشاط (3) أنه عندما ترتفع درجة حرارة الأجسام يزداد حجمها (تتمدد)، وتصبح هذه الأجسام أيضاً أصغر حجماً (تنكمش أو تتقلص) عندما تنخفض درجة حرارتها.

وكلنا يقوم بتطبيق هذا المبدأ عندما نحاول فتح غطاء إناء محكم الإغلاق بصب الماء الحار عليه. إن الغطاء المعدني أفضل توصيلاً للحرارة من زجاج الإناء، أي إنه يتمدد على نحو أسرع من الإناء ذاته، ما يؤدي إلى سهولة فك الغطاء المعدني.

 

قد تسبب عملية التمدد والتقلص مشكلات في عملية البناء لأن المواد المستعملة في البناء كالحجر والإسمنت والمعادن تتمدد وتتقلص مع تبدل حالة الطقس.

ويأخذ مهندسو العمارة هذا الجانب في الاعتبار عند تصميم الأبنية. ومن أكثر الطرق شيوعاً لفسح المجال أمام هذه المواد بالتمدد والتقلص هي استخدام طوب البناء (البلوك) بدلاً من الألواح الإسمنتية الكبيرة، إضافةً إلى ترك فواصل بين قطع الطوب.

انظر أسفل قدميك إلى الرصيف الذي تمشي عليه، تجد أنه مبني على شكل مقاطع صغيرة مع فواصل فيما بينها، كي تسمح للرصيف الإسمنتي بأن يتمدد أثناء الطقس الحار.

 

كما أن الجسور الخرسانية تُركّب على شكل مقاطع لأن الخرسانة الإسمنتية والفولاذ بحاجة إلى مساحة للتمدد والتقلص.

وللسبب نفسه، نلاحظ أن قضبان السكك الحديدية تحتوي على فواصل صغيرة فيما بينها وتكون مثبتة بمسامير تثبيت.

 

إن الفتحات الصغيرة التي تترك بين السكك الحديدية تمنح المعدن إمكانية التمدد. ولو أن البنائين لم يتركوا مثل تلك الفواصل بين السكك الحديدية لتمددت قضبان السكك الحديدية في الأيام الحارة وتحدّبت بشكل يجعل من المستحيل على القطارات أن تسير عليها.

إن غالبية الناس لا يدركون أن الأجسام الصلبة كالمعادن والخرسانة تتمدد وتتقلص في جميع الأوقات، والسبب في هذا هو أن حركة التمدد والتقص ضئيلة وبطيئة لدرجة لا يمكن ملاحظتها في الأحوال العادية ما لم تدقق النظر فيها.

 

ذرات متحركة

إن قضبان السكك الحديدية والخرسانة الإسمنتية التي تحدثنا عنها في أرصفة الشوارع تتمدد وتتقلص للسبب نفسه الذي تتمدد أو تتقلص فيه جميع المواد والأجسام الأخرى.

إن المعادن والخرسانة الإسمنتية مكوّنة من ذرّات. عندما تسخن هذه المواد تبدأ مكوناتها الذرّية بالحركة السريعة والانفصال. وبإمكانك أن توضح هذه العملية مع شريك آخر.

 

اشبك يديك بيدي شريكك ثم تحركا ببطء معاً. من السهل أن تحافظا على تشابك أيديكما. الآن، تحركا (بحذر) وبسرعة بشكل دوراني مهتز ويداكما ما زالتا متشابكتين.

ستلاحظ أنه من الصعب المحافظة على الإمساك بيدي شريكك عندما تتحركان بسرعة وتبذلان جهداً كبيراً.

 

تتماسك الذرّات المكوّنة للمواد الصلبة بروابط كيميائية هي أشبه ما تكون بنوابض صغيرة.

وعندما تسخن هذه المواد تزيد حركة هذه الجزيئات، ما يجعل "النوابض" تتمدد وبالتالي تتمدد المواد. وعندما تبرد تلك المواد تقل حركتها وتتقلص أو تنكمش.

 

أبنية متحركة

ربما لا تستطيع أن تتحقق من خلال العين المجردة بأن الأبنية في حالة دائمة من التمدد والتقلص. والسبب في هذا هو أن المواد كالمعدن والخليط الإسمنتي (الخرسانة) تتمدد وتتقلص مع تبدل درجة الحرارة.

إن كل مادة من المواد تتمدد وتتقلص بنسب محددة. وعندما يضع المهندسون المعماريون تصاميم الأبنية يجب عليهم استخدام أساليب معمارية تتيح المجال للمواد المستخدمة بأن تتمدد وتتقلص من دون أن تسبب أي ضرر بالمبنى.

وهذا يفسر سبب تركيب مواد البناء في أغلب الأحيان باستعمال وصلات مرنة، كاستعمال المعجون أو الواد المانعة للتسرب بين إطارات النوافذ المصنوعة من الألمنيوم وفتحات النوافذ الإسمنتية.

 

آلية الساعة

عندما حاول المخترعون تصميم أول ساعة جيب استخدموا نوعين من المعادن المختلفة في آلية حركتها.

وعندما كان أحد المعدنين يتقلص كان الآخر يتمدد، وأدى ذلك إلى الحفاظ على آلية التوازن، ما سمح للساعات أن تحافظ على دقة الوقت حتى في حال تغير درجة الحرارة بين الجيب والهواء الطلق.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق