Wat is thermo-elasticiteit?
Thermoelasticiteit is de verandering in de grootte en vorm van een massief object wanneer de temperatuur van dat object fluctueert. Materialen die elastischer zijn zullen uitzetten en meer samentrekken dan die materialen die meer inelastisch zijn. Wetenschappers gebruiken hun begrip van thermo-elasticiteit om materialen en objecten te ontwerpen die bestand zijn tegen temperatuurschommelingen zonder te breken.
Wetenschappers hebben de vergelijkingen die thermo-elasticiteit beschrijven al meer dan 100 jaar begrepen, maar zijn pas recent begonnen met stresstestmaterialen om te bepalen hoe thermo-elastisch ze zijn. Door materialen te onderwerpen aan stijgende en dalende temperaturen, kunnen ingenieurs voorspellen hoeveel deze materialen bij verschillende temperaturen zullen uitzetten of krimpen. Deze kennis is belangrijk bij het bouwen van machines of dragende structuren met stukken die nauw bij elkaar moeten passen. Inzicht in de principes van thermo-elasticiteit helpt ingenieurs dingen te ontwerpen die hun structurele integriteit behouden voor een reeks temperaturen.
De principes van thermo-elasticiteit hebben invloed gehad op de manier waarop ingenieurs een aantal verschillende objecten ontwerpen. Wetende dat beton bijvoorbeeld uitzet wanneer het wordt verwarmd, is de reden dat trottoirs zijn ontworpen met kleine ruimtes tussen de platen. Zonder deze ruimtes zou het beton geen ruimte hebben om uit te zetten, wat een grote spanning op het materiaal veroorzaakt en leidt tot scheuren, breuken of gaten. Evenzo zijn bruggen ontworpen met dilatatievoegen zodat de componenten kunnen uitzetten als ze worden verwarmd.
Alle materialen die elastisch zijn zetten uit bij verhitting en krimpen bij afkoeling. De expansie die wordt beschreven door thermoelasticiteitsformules wordt veroorzaakt door een toename van de beweging van de atomen in het materiaal. Deze atomen blijven met elkaar verbonden als een vaste warmte, maar de moleculaire bindingen worden groter, waardoor de atomen van elkaar weg kunnen bewegen en het materiaal kan groeien. Omgekeerd, wanneer een materiaal wordt afgekoeld, bewegen de atomen minder en trekken de bindingen ze dichter naar elkaar toe.
De principes van thermo-elasticiteit dicteren dat de uitzetting veroorzaakt door een temperatuurstijging ervoor zorgt dat een object in alle richtingen uitzet. Platen van beton breiden zich naar elkaar toe uit, omhoog van de grond en naar beneden naar de grond wanneer ze worden verwarmd. Cups of andere vaten zullen ook in alle richtingen zodanig uitzetten dat het totale volume dat ze kunnen bevatten toeneemt met de grootte van het vat. Specifieke formules worden gebruikt in de studie van thermo-elasticiteit om te beschrijven hoe objecten van vorm veranderen met veranderingen in temperatuur.