أيٍ مما يلي يفسر سبب ترك فجوات بين قضبان؟

تمدُّد الحديد بفعل الحرارة.. خاصةً في فصل الصيف، يُعَدُّ أمرًا يمكن أن يؤدي إلى احتمالية حدوث تصدُّع أو تحطُّم في القضبان نظرًا لزيادة درجات الحرارة بشكل كبير وهذه الظاهرة تحدث بشكل طبيعي أيضًا في مسارات السكك الحديدية حيث تتعرَّض للتقلُّص ثم التمدُّد نتيجة التغيُّرات الحرارية المرتفعة مما يؤدي إلى تغيُّر في أبعادها ويحدث تمدُّد غير منتظم بفعل هذا الارتفاع في درجات الحرارة ولذلك يمكن ملاحظة أن هذا التمدُّد يمثل زيادة واضحة في حجم الجسم الصلب نتيجة تعرضه للحرارة العالية بشكل مباشر.

أسباب ترك مسافات بين القضبان

عند الحديث عن التفاصيل المتعلقة بالتمدد الذي يحدث في المواد الصلبة، يُقسَّم هذا التمدد إلى ثلاثة أنواع رئيسية، وكل نوع له خصائصه وتأثيراته التي تُميزه، وهذه الأنواع تتمثل في: التمدد السطحي، التمدد الحجمي، بالإضافة إلى التمدد الطولي، الآن سنقوم بتفصيل كل نوع مع الأمثلة التي توضحها:

• التمدد السطحي
• يَظهر في الزيادة الحاصلة في طول الجسم الصلب مما يعني تمدده في أبعاده المختلفة.
• لا يقتصر التمدد فقط على الطول، بل يمتد ليشمل عرض الجسم وارتفاعه بعد الارتفاع في درجة الحرارة التي يتعرض لها.
• يحدث هذا النوع من التمدد بشكل أساسي في الأجسام الصلبة وليس كما هو الحال في السوائل أو الغازات حيث تتصرف بشكل مختلف.
• نتيجة الزيادة في درجة الحرارة، فإن الجزئيات التي تكوّن الجسم تكتسب طاقة إضافية مما يؤدي إلى تمددها على مستوى السطح.

تمدد حجمي

• يتعلق بالزيادة الحاصلة في حجم الجسم الصلب كله، حيث تُلاحظ زيادة في كل من الطول والعرض والارتفاع بشكل متزامن.
• هذا النوع من التمدد يُلاحظ بكثرة في الأجسام الصلبة على وجه التحديد.
• معامل التمدد الحجمي يعبّر عن العلاقة بين التغير في الحجم القديم والجديد، والتي تعكس الفرق الواضح الذي يحدث بعد التمدد.
• للحصول على معامل التمدد الحجمي يتم حساب التغير في حجم الجسم وقسمته على الحجم الأصلي، وذلك من خلال المعادلة {الحجم النهائي ناقص الحجم الأصلي} مقسومًا على الحجم الأصلي.
• بعدها، يُقسم الناتج على مقدار التغير في درجة الحرارة الذي تسبب في حدوث هذا التمدد، وبالتالي نتحصل على المعامل المطلوب.

3- التمدد الطولي

• يرمز إلى الزيادة التي تطرأ فقط على طول الجسم الصلب بعد تعرضه لارتفاع في درجة حرارته حيث يتم ملاحظة أن الطول هو الذي يزداد بالمقارنة مع الأبعاد الأخرى.
• يحدث نتيجة ارتباط مباشر بين التغير في درجة الحرارة وارتفاعها وبين طول الجسم الذي يزيد مع زيادة الحرارة.
• يتم حساب التمدد الطولي عن طريق معادلة تشابه التمددات الأخرى، فنعمل على حساب الفرق في الطول.
• المعادلة تقوم على قسمة التغير في الطول على الطول البدائي للجسم وهو {الطول بعد التمدد مطروح منه الطول الأصلي} ثم تقسيم ذلك على الطول الأساسي.
• وفي الخطوة النهائية يتم تقسيم النتيجة المستخرجة على مقدار التغير في درجة الحرارة الذي أدى إلى تمدد الجسم إلى الطول الجديد.

سمات المواد الصلبة

بعد الوصول لإجابة السؤال أيٍ مما يلي يفسر سبب ترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية؟ كان ضروري أن نتطرق لأهم خصائص المواد الصلبة التي تجعلها مميزة عن غيرها من المواد الأخرى لتساعدك على فهم كيفية تصرفها خصوصًا من خلال التعامل مع هذه المواد الصلبة، وهنا ستكون بعض الخصائص الرئيسية التي توضح الفرق بينها:

مفهوم التمدد الحراري

إليك بعض المعلومات المتعلقة بظاهرة التمدد الحراري التي قد تفيد في فهم أسباب ترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية، وفي إطار الإجابة على السؤال أيٍ مما يلي يفسر سبب ترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية؟ ترد التوضيحات الآتية:

• التمدد الحراري يعني ازدياد الأبعاد الخطية للمادة الصلبة عندما ترتفع درجة الحرارة، فالمواد الصلبة تتمدد بشكل طفيف عند زيادة الحرارة.
• وهذا التمدد لا يقتصر على المواد الصلبة فقط بل يشمل السوائل أيضًا، حيث يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تمدد السوائل وزيادة حجمها.
• يُعد التمدد إحدى النتائج المباشرة لزيادة درجة الحرارة، إذ كلما ارتفعت الحرارة زادت حركة الجزيئات داخل المادة وازداد تباعدها.
• يُعرف التمدد بأنه قدرة المادة على تغيير أحد أبعادها مثل الشكل أو الحجم أو المساحة وحتى الكثافة وذلك نتيجة لارتفاع درجة حرارة المادة.
• التغيرات الحاصلة في المادة خلال التسخين تشمل تفاعلات معقدة تبدأ من تحرك واهتزاز جزيئات المادة بصورة أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة.
• درجة الحرارة تُعتبر مقياسًا متوسطًا للطاقة الحركية داخل الجزيئات، ومع الزيادة يرتفع نشاط الجزيئات ما يؤدي إلى اهتزازات أكثر حدة.
• هذه الزيادة في الاهتزاز تؤدي إلى اتساع المسافات بين الجزيئات ما يؤدي إلى التمدد الحجمّي للمادة.
• فمع استمرار ارتفاع الحرارة، لا تبقى الجزيئات بنفس الترتيب القريب من بعضها بل تبدأ بالتباعد تدريجيًا ويزيد التباعد الذي يؤدي إلى تقليل قوة التجاذب بينها.
• يُصاحب هذه الحركة المتزايدة انتقال حراري بين الجزيئات مما يؤدي إلى تقليل بعض الروابط التي تجمعها، وهذه الآلية تساهم في التمدد.
• التمدد الحراري يعتمد على درجة الحرارة بشكل أساسي، وكلما ترتفع درجة الحرارة تزيد حركة الجزيئات بما يؤدي إلى هذه الظاهرة بشكل منتظم وغير عشوائي.
• التمدد النسبي يأتي ناتجًا عن هذه الزيادة في الحركة ويطلق عليه أيضًا مسمى “الانفعال”، أي أن التغير في أبعاد المادة يحدث نتيجة لتأثير خارجي مثل الحرارة.
• نوع المادة يلعب دورًا في حجم التمدد، إذ أن بعض المواد تتمدد بمعدلات أكبر من غيرها استجابةً لمساهمة أكبر من الطاقة الحركية.
• زيادة الطاقة الحركية التي تضخها الحرارة تجعل الجزيئات تتحرك بصورة أكبر وأسرع، وهذا يزيد من محاولات المادة للتوسع والتمدد.
• في النهاية، مع هذه الزيادة في الحركة وطاقة الجزيئات، تصبح الروابط بين الجزيئات أضعف ويؤدي ذلك إلى تمدد أكبر في المادة.
• في هذه العملية يتباعد الجزيئات أكثر ويتغير شكل المادة كما يزيد حجمها مما يؤدي إلى زيادة في حجم المادة نتيجة لتمددها بسبب امتصاصها للحرارة.

عملية الانكماش الحراري

كما تطرقنا سابقًا للحديث عن التمدد الحراري، فإنه من الضروري تناول تفاصيل الانكماش الحراري والبنود المرتبطة به بعمق، وقد جاءت المعلومات المرتبطة بالانكماش الحراري وفقًا لما يلي:

• الانكماش الحراري يعتمد أساسًا على أنبوب يتميز بالقدرة على الانكماش شعاعيًا.
• لكي يحدث الانكماش، يحتاج الأنبوب أن يتعرض لدرجة حرارة محددة تتناسب مع المادة المستخدمة.
• يُعد الاستخدام الأكثر شيوعًا للأنابيب في الإنتاج مرتبطًا بعملية الانكماش الحراري التي تعتمد عليه بدرجة كبيرة.
• يتطلب تنفيذ العملية اتباع خطوتين رئيسيتين لضمان تحقيق النتائج المطلوبة.
• يتوفر من أنابيب الانكماش الحراري أنواع مختلفة تناسب كافة أنواع التطبيقات التي قد تكون ضرورية في قطاعات متعددة.
• من المهم أن تحتوي أنابيب الانكماش الحراري على استخدامات متنوعة تناسب الاحتياجات العملية المختلفة بشكل فعال.
• من أبرز التطبيقات الخاصة بهذه الأنابيب قدرتها على توفير عزل كهربائي آمن للأسلاك المستخدمة في الأنظمة الكهربائية.
• غالبًا ما يتم توظيفها في التوصيلات الكهربائية، المفاصل، وأيضًا في محطات الوصل والقطع لتأمين وحماية الأسلاك.
• تساهم بشكل فعّال في تنظيم وتجميع العناصر السائبة مثل الأغلفة الحامية والأسلاك التي تحتاج حماية إضافية أو ترتيب معين.
• عملية تصنيع هذه الأنابيب تبدأ باستخدام تقنية بثق قياسية تضمن توافق الأنبوب مع المعايير والمرحلة المطلوبة في العملية النهائيّة.
• تحديد مادة تصنيع الأنبوب يعتمد بشكل كبير على خصائص المادة لكي تتماشى مع الظروف البيئية المحيطة في الاستخدام المستهدف.
• الجانب الأساسي في العملية هو تحضير المادة اللازمة من خلال خلط المادة الخام مع إضافات محددة لضمان تحقيق النتيجة المثالية المطلوبة.
• من بين هذه الإضافات : المواد الملونة، بالإضافة إلى مثبتات الأشعة فوق البنفسجية التي تحمي المادة الخام من التأثر بالظروف البيئية القاسية أو التعرض الطويل للشمس.

أوجه الاختلاف بين التمدد الحراري والانكماش الحراري

حين يتساءل البعض عن الفوارق بين التمدد الحراري والانكماش الحراري وما الذي يُميز كل منهما، يُمكن توضيح ذلك من خلال النقاط التالية بشكل أكثر تفصيلاً:

1- التعريف

• التمدد الحراري يحدث نتيجة زيادة كبيرة في الحرارة المحيطة بمادة ما، مما يسبب زيادة في حجمها أو طولها.
• الحرارة المُرتفعة تؤدي إلى تغيّر في سلوك جزيئات المادة، حيث تتباعد الجزيئات ويزداد حجم المادة.
• أما الانكماش الحراري يُعتبر العملية المعاكسة، حيث يؤدي انخفاض الحرارة إلى تقلص المسافات بين الجزيئات.
• وهذا الانخفاض يؤدي إلى تقليص حجم المادة أو طولها بسبب التأثير المُباشر لانخفاض الحرارة المحيطة.

2- الحدوث

• تؤثر الحرارة بشكل واضح على سلوك جزيئات المادة وتحدث تغييرات في القوة المسؤولة عن ربط هذه الجزيئات ببعضها البعض التي تسمى قوة التجاذب، والتي يعتمد تأثيرها على مدى ارتفاع أو انخفاض درجة الحرارة.
• القوى الترابطية بين الجزيئات والذرات تكون عاملًا أساسيًا في تحديد مدى تأثير الحرارة على المادة سواء في حالات التمدد أو الانكماش.
• عندما تنخفض درجة الحرارة، تقلّ حركة الجزيئات وتنكمش المسافات بينها وهذا الانخفاض في الحركة يؤدي إلى تقلص حجم وطول المادة.
• أما في حالة الحرارة المرتفعة، فإن تأثير الحرارة يُوسع المسافات بين الجزيئات مما يزيد من حجم المادة وطولها كنتيجة مباشرة للتمدد الحراري.