金属を熱でカールさせる

Science Buddies による熱血科学プロジェクト

主要な概念物理学温度熱膨張金属

導入人へのプレゼントのラッピングを楽しんでいますか？ おそらく、ハサミでリボンをカールさせたことがある（または他の人がそれをしているのを見たことがある）でしょう。 リボンの片側にハサミの刃を入れると、なぜリボンがカールするのか疑問に思ったことはありますか? 答えは、ハサミの刃でリボンに圧力を加えると、リボンの外側の層が伸びて膨張するからです。 これにより、リボンの外側の層がブレードに押し付けられる内側の層よりも長くなります。 その結果、各層の異なる長さを補うためにリボンがカールします。 このアクティビティでは、マテリアルをカールさせることもできます。 ただし、これらの材料の場合はハサミは必要ありません。代わりに熱を使います。

背景おそらく、材料が加熱または冷却されると形状や体積が変化することをご存知または見たことがあると思います。 これは、すべて原子と分子で構成される固体、液体、気体にも当てはまります。 熱にさらされると、これらの分子は振動し始め、より速く動き回ります。 これにより、分子が広がり、より多くのスペースを占めるようになります。 その結果、材料は熱くなるとわずかに膨張します。 一方、材料が冷たいときは、分子の動きが少なくなり、分子が占有するスペースが少なくなります。 したがって、材料は冷えると収縮します。 すべての材料は加熱すると膨張しますが、すべてが同じ程度に膨張するわけではありません。 材料が加熱されたときにどれだけ膨張するかは、その熱膨張係数によって表されます。 たとえば、アルミニウムの温度が 1 ℃上昇すると、1 メートルあたり 21 ～ 24 マイクロメートル膨張します。

オブジェクトが複数のマテリアルで構成されている場合はどうなりますか? どちらも加熱すると伸び方が違います！ 実際、異なる熱膨張特性を利用したバイメタルと呼ばれる特殊な材料があります。 バイメタルは、互いに挟まれた異なる金属の 2 つの別個の層で構成されるオブジェクトです。 バイメタルが加熱されると、一方の金属が他方の金属よりも膨張します。 その結果、ギフト包装のリボンと同じように、バイメタルが一方向に湾曲 (またはカール) します。 この効果のため、バイメタルは、指針ダイヤル温度計 (オーブンや冷蔵庫で使用されるものなど) など、温度変化を示すためによく使用されます。 これらの温度計の内部では、バイメタル コイルが指針に取り付けられています。 温度が変化するとバイメタルコイルの変形量に応じて指針が移動します。

このアクティビティでは、さまざまな熱膨張特性によってオブジェクトがどのようにカールするのかを自分の目で確認します。 暑くなる準備はできていますか?

材料

準備

手順

観察と結果あなたのストリップの 1 つがろうそくの炎の上でカールしているのを見ましたか? そうすべきです！ 全アルミニウムのストリップと全紙のストリップは、炎の上にかざしても変化しないはずです。 これは、ストリップの 2 つの層が同じ材料で作られているためです。 ストリップが熱くなると、触ったときに気づくはずですが、両方の層が同じ量だけ膨張します。 ただし、ストリップが 2 つの異なる素材で構成されている場合、たとえば紙とアルミニウムで作られた場合は、何か別のことが起こります。

紙やアルミニウムのストリップを炎の上にかざすと、すぐに一方向に曲がったり丸まったりし始めるのを観察したことがあるでしょう。 アルミニウム層がキャンドルに面している場合は上向きにカールし、アルミニウム層が天井に面している場合は下向きにカールします。 これは、炎の上にあるとアルミニウムと紙の層が熱くなるためです。 アルミニウムは熱膨張係数が高いため、紙よりも膨張します。 紙とアルミニウムは接着されているため、アルミニウムは紙ストリップから離れてカールし、各層の異なる長さを補います。ギフト包装のリボンがカールしているのと同じです。 熱膨張係数の異なる 2 つの異なる材料で構成される他のストリップでも同様の結果が得られます。