[فعالیت ۳-۴] [فیزیک] [دهم]
۱) شکل (الف) تصویری واقعی از دو قسمت متوالی خط آهن (ریل راهآهن)های قدیمی را در گذشته نشان میدهد. اگر فاصلهٔ خالی بین این دو قسمت به حد کافی زیاد نبود، چه مشکلی پیش میآمد؟
۲) امروزه بین قسمتهای متوالی خط آهن فاصلهای در نظر گرفته نمیشود و این قسمتها پشت سر هم جوشکاری میشوند (شکل ب). تحقیق کنید در این روش چگونه مشکل ناشی از انبساط در یک روز گرم تابستانی برطرف میشود؟
پاسخ تشریحی و گام به گام [فعالیت ۳-۴] [فیزیک] [دهم]
این فعالیت به یکی از مهمترین کاربردهای مهندسی پدیده **انبساط خطی** در دنیای واقعی میپردازد. بیایید این دو روش ساخت ریل را تحلیل کنیم.
**۱) ریلهای قدیمی با فاصله (شکل الف)**
* **چرا فاصله وجود دارد؟**
جنس ریلهای راهآهن از **فولاد** است. فولاد، مانند بیشتر مواد، در اثر گرما **منبسط** میشود (طول آن افزایش مییابد) و در اثر سرما **منقبض** میشود (طول آن کاهش مییابد). این فاصلههای خالی که به آنها **درز انبساط (Expansion Joint)** میگویند، به همین دلیل تعبیه شدهاند. در یک روز گرم تابستانی، وقتی ریلها در زیر آفتاب داغ میشوند، طولشان زیاد میشود. این فضای خالی به ریل اجازه میدهد تا بدون مشکل منبسط شود.
* **اگر فاصله کافی نباشد چه میشود؟**
اگر این درزهای انبساط وجود نداشتند یا به اندازه کافی بزرگ نبودند، ریلهای در حال انبساط به یکدیگر فشار بسیار زیادی وارد میکردند. این نیروی عظیم باعث **کمانش (Buckling)** یا خم شدن و کج شدن ریلها میشد. یک ریل کج شده میتواند باعث خروج قطار از خط شود که فاجعهبار است. بنابراین، این فاصلهها برای **حفظ ایمنی** ضروری بودند.
**۲) ریلهای مدرن جوشکاری شده (شکل ب)**
امروزه در اکثر خطوط اصلی راهآهن، ریلها به صورت پیوسته به هم جوش داده میشوند تا صدها متر یا حتی کیلومترها طول داشته باشند. این کار باعث حرکت نرمتر و سریعتر قطار و کاهش هزینههای نگهداری میشود. اما پس مشکل انبساط چطور حل میشود؟
* **مهار کردن انبساط به جای فراهم کردن فضا برای آن!**
در این روش، به جای اینکه به ریل فضا برای حرکت بدهیم، آن را **مهار میکنیم** تا نتواند حرکت کند. راه حل در دو بخش اصلی است:
1. **نصب در دمای خنثی:** ریلها در یک دمای مشخص به نام **دمای خنثی ریل (Rail Neutral Temperature)** نصب و جوشکاری میشوند. این دما معمولاً نزدیک به میانگین دمای سالانه آن منطقه است. در این دما، هیچ تنشی (فشار یا کشش) در ریل وجود ندارد.
2. **بستهای بسیار محکم:** ریلها با استفاده از بستهای بسیار قوی و به تعداد زیاد به **تراورسها** (تکههای بتنی یا چوبی زیر ریل) متصل میشوند. این بستها و وزن خود تراورسها، از حرکت طولی ریل جلوگیری میکنند.
* **چه اتفاقی در تابستان میافتد؟**
در یک روز گرم، ریل تلاش میکند منبسط شود، اما چون بستهای محکم آن را نگه داشتهاند، نمیتواند حرکت کند. در نتیجه، به جای افزایش طول، یک **تنش فشاری (Compressive Stress)** بسیار بزرگ در داخل فولاد ایجاد میشود. ریلها و بستها طوری طراحی شدهاند که این تنش عظیم را **بدون کمانش کردن** تحمل کنند.
* **و در زمستان؟**
برعکس، در هوای سرد، ریل تلاش میکند منقبض شود، اما باز هم بستها مانع میشوند. این بار، یک **تنش کششی (Tensile Stress)** بزرگ در ریل ایجاد میشود. باز هم طراحی به گونهای است که ریل این کشش را تحمل کرده و شکسته نشود.
