熱膨張でリングの穴はどうなる?図解で理解する金属の膨張

おはこんばんちは、

Spotifyで好きなミュージションをフォローしたら月間リスナー3人目だったばらさんです!

もう30年前に出会った曲なんですけどね。MICK MIYAGAWAさんのCD「ヤング伝説」が聞きたくなって、探してみたらあったのでフォローしたんですけど、まさかこんなに少ないとは笑

ロック調なインストがかっこよくてね!なのに歌詞がふざけていて笑

そのギャップに一発でファンになりました!

暇だったら聞いてみてください!



さて前回、熱膨張の話が出たので、少し話を広げてみようかなと思いましてね。少しお付き合いください。


夏になるとよく「線路が歪んだ」なんてニュース見ますよね。 あれは暑さで金属が熱で伸びる“熱膨張”って現象なんだけど、暑すぎて想定より伸びちゃうと歪んだになるわけです。

バイクも金属の塊だから、もちろん同じことが起きてるわけで。身近なわりに勘違いしている人も意外に多く、少し説明していこうかなと。


ここでは、円の板やリングの板が温められるとどう膨張するのか、できるだけ分かりやすくまとめてみますね。


◆ 金属はどうして熱で伸びるのか 

金属の中には「原子」っていう小さな粒がぎっしり並んでいて、 この原子はいつも少し震えてるんだけど、温度が上がるともっと激しく震えるようになるのね。

すると、原子どうしがぶつからないように お互いの距離をちょっと広げる。

これが金属が伸びる理由。

つまり、

原子そのものが大きくなるわけじゃなく

原子と原子の“間”が広がるだけ

という、とてもシンプルな仕組み。



◆ 円の板はどう膨張する? 

円プレートの熱膨張


丸い金属の板を温めると、 半径も直径も、全体がそのまま大きくなる。

イメージとしては、 写真を拡大したときみたいに、形を保ったままスケールアップする
そんな感じ。

これはみなさんイメージできていると思うので問題ないかなと。



◆ では「真ん中に穴があいたリング」は? 

リング状の熱膨張の誤った認識


ここでよくある勘違いがひとつある。

「外側に逃げるんだから、穴があると内側に逃げるんじゃない?」

気持ちは分かる。 円の板の場合“外の空間に向かって膨らむ”イメージがあるから、穴は内側の空間に広がる。つまり縮むように思えるんだよね。

でも実際は逆で、 穴もちゃんと大きくなる。


◆ なぜ穴が大きくなるのか 

リングの熱膨張のイメージ


※注 上部図はリング状のプレートを12個の原子で作られていると想定した場合のイメージ図です。

リングを作っている金属の部分は、 原子の数や配列は変わらないが、どこも同じように原子間の距離が広がる。

つまり、

外側の円周も広がる

内側の穴の円周も広がる

という、ただそれだけの話。

リング全体が「均等にスケールアップ」するから、 穴だけ縮むなんてことは起きません。



迷ったらピンチアウト(拡大)すればいいだけ!

ここに訪れた人はもう迷いませんよね!