Vad är termoelasticitet?

Termoelasticitet är förändringen i storleken och formen på ett fast föremål när temperaturen på det objektet fluktuerar. Material som är mer elastiska kommer att expandera och sammandras mer än de material som är mer inelastiska. Forskare använder sin förståelse av termoelasticitet för att designa material och föremål som tål temperaturfluktuationer utan att bryta.

Forskare har förstått ekvationerna som beskriver termoelasticitet i över 100 år men har nyligen börjat stresstestmaterial för att bestämma hur termoelastiska de är. Genom att utsätta material för stigande och fallande temperaturer kan ingenjörer förutsäga hur mycket dessa material kommer att expandera eller sammandras vid olika temperaturer. Denna kunskap är viktig när man bygger maskiner eller viktbärande strukturer med delar som måste passa nära varandra. Att förstå principerna för termoelasticitet hjälper ingenjörer att utforma saker som upprätthåller sin strukturella integritet för en rad temperaturer.

Termoelasticitetsprinciperna har påverkat hur ingenjörer utformar ett antal olika objekt. Att veta att betong expanderar när den till exempel värms upp är orsaken till att trottoarer är utformade med små utrymmen mellan plattorna. Utan dessa utrymmen skulle betongen inte ha utrymme att expandera, vilket orsakar en stor påfrestning på materialet och leder till sprickor, brytningar eller hål. På samma sätt är broar utformade med expansionsfogar så att komponenterna kan expandera när de värms upp.

Alla material som är elastiska expanderar när de värms upp och sammandras när de kyls. Expansionen som beskrivs med termoelasticitetsformler orsakas av en ökning av atomernas rörelse i materialet. Dessa atomer förblir kopplade till varandra när ett fast ämne värms men de molekylära bindningarna växer i storlek, vilket gör att atomerna kan röra sig från varandra och får materialet att växa. Omvänt, när ett material kyls, rör sig atomerna mindre och bindningarna drar dem närmare varandra.

Termoelastisitetsprinciperna dikterar att expansionen orsakad av en ökning av temperaturen får ett objekt att expandera i alla riktningar. Betongplattor expanderar ut mot varandra, uppåt från marken och ner mot marken när de värms upp. Koppar eller andra fartyg kommer att expandera i alla riktningar också på ett sådant sätt att den totala volymen de kan innehålla ökar tillsammans med fartygets storlek. Specifika formler används för att studera termoelasticitet för att beskriva hur objekt förändras i form med temperaturförändringar.