Che cos'è la termoelasticità?

La termoelasticità è la variazione delle dimensioni e della forma di un oggetto solido mentre la temperatura di tale oggetto oscilla. I materiali più elastici si espandono e si contraggono più di quelli più anelastici. Gli scienziati usano la loro comprensione della termoelasticità per progettare materiali e oggetti che possono resistere alle fluttuazioni di temperatura senza rompersi.

Gli scienziati hanno compreso le equazioni che descrivono la termoelasticità da oltre 100 anni, ma solo di recente hanno iniziato a testare i materiali per determinare quanto siano termoelastici. Sottoponendo i materiali a temperature in aumento e in diminuzione, gli ingegneri sono in grado di prevedere in che misura questi materiali si espanderanno o si contrarranno a temperature diverse. Questa conoscenza è importante quando si costruiscono macchine o strutture portanti con pezzi che devono combaciare strettamente. Comprendere i principi della termoelasticità aiuta gli ingegneri a progettare cose che mantengano la loro integrità strutturale per un intervallo di temperature.

I principi della termoelasticità hanno influenzato il modo in cui gli ingegneri progettano una serie di oggetti diversi. Sapere che il cemento si espande quando viene riscaldato, ad esempio, è la ragione per cui i marciapiedi sono progettati con piccoli spazi tra le lastre. Senza questi spazi, il calcestruzzo non avrebbe spazio per espandersi, causando una grande sollecitazione sul materiale e causando crepe, rotture o buchi. Allo stesso modo, i ponti sono progettati con giunti di dilatazione per consentire ai componenti di espandersi man mano che vengono riscaldati.

Tutti i materiali elastici si espandono quando riscaldati e si contraggono quando raffreddati. L'espansione descritta dalle formule di termoelasticità è causata da un aumento del movimento degli atomi nel materiale. Questi atomi rimangono collegati tra loro mentre un solido si riscalda ma i legami molecolari crescono di dimensioni, consentendo agli atomi di allontanarsi l'uno dall'altro e di far crescere il materiale. Al contrario, quando un materiale viene raffreddato, gli atomi si muovono di meno e i legami li avvicinano l'uno all'altro.

I principi della termoelasticità impongono che l'espansione causata da un aumento della temperatura causerà l'espansione di un oggetto in tutte le direzioni. Le lastre di cemento si espandono l'una verso l'altra, verso l'alto da terra e verso il suolo quando vengono riscaldate. Le tazze o le altre navi si espandono anche in tutte le direzioni in modo tale che il volume totale che possono contenere aumenta insieme alle dimensioni della nave. Formule specifiche sono utilizzate nello studio della termoelasticità per descrivere come gli oggetti cambiano forma con le variazioni di temperatura.