Arricciare i metalli con il calore

Un progetto scientifico irascibile di Science Buddies

Concetti chiaveFisicaTemperaturaDilatazione termicaMetalli

introduzione Ti piace incartare regali per le persone? Forse hai persino arricciato un nastro con le forbici (o hai visto qualcun altro farlo). Ti sei mai chiesto perché il nastro si arriccia quando fai scorrere la lama di una forbice lungo un lato? La risposta è che quando si esercita pressione sul nastro con la lama delle forbici, lo strato esterno del nastro si allunga e si espande. Ciò rende lo strato esterno del nastro più lungo dello strato interno che viene premuto contro la lama. Di conseguenza il nastro si arriccia per compensare la diversa lunghezza di ciascuno dei suoi strati. In questa attività farai anche arricciare i materiali. Per questi materiali, però, non avrai bisogno delle forbici: utilizzerai invece il calore!

Sfondo Probabilmente sai o hai visto che i materiali sono in grado di cambiare forma o volume quando vengono riscaldati o raffreddati. Questo vale per i solidi, i liquidi e i gas, che sono tutti costituiti da atomi e molecole. Una volta esposte al calore, queste molecole iniziano a vibrare e a muoversi più velocemente. Ciò fa sì che le molecole si diffondano e occupino più spazio. Di conseguenza un materiale si espande leggermente quando diventa caldo. D'altra parte, quando un materiale è freddo, le molecole si muovono meno e occupano meno spazio. Pertanto, i materiali si restringono quando si raffreddano. Sebbene tutti i materiali si espandano quando riscaldati, non tutti si espandono nella stessa misura. Quanto un materiale si espande quando riscaldato è descritto dal suo coefficiente di dilatazione termica. Ad esempio, l'alluminio si espande da 21 a 24 micrometri al metro se si aumenta la sua temperatura di 1 grado Celsius.

Cosa succede quando un oggetto è composto da più di un materiale? Entrambi si espanderanno in modo diverso una volta riscaldati! Esistono infatti materiali speciali chiamati bimetalli che sfruttano le loro diverse proprietà di dilatazione termica. Un bimetallo è un oggetto costituito da due strati separati di metalli diversi inseriti insieme. Quando un bimetallo viene riscaldato, uno dei metalli si espanderà più dell'altro. Ciò si traduce in una curvatura (o arricciatura) bimetallica in una direzione, proprio come il nastro per la confezione regalo. A causa di questo effetto, i bimetalli vengono spesso utilizzati per indicare variazioni di temperatura, come nei termometri a quadrante con puntatore (come quelli utilizzati nei forni o nei frigoriferi). All'interno di questi termometri una bobina bimetallica è fissata ad un indice. Quando la temperatura cambia, la lancetta si sposta in base alla quantità di deformazione della bobina bimetallica.

In questa attività vedrai di persona come le diverse proprietà di dilatazione termica possono far arricciare un oggetto. Pronti ad accendere il fuoco?

Materiali

Preparazione

Procedura

Osservazioni e risultati Hai visto una delle tue strisce arricciarsi sopra la fiamma della candela? Avresti dovuto! La striscia interamente in alluminio e quella interamente in carta non dovrebbero essere cambiate quando le hai tenute sopra la fiamma. Questo perché i due strati della striscia sono costituiti dallo stesso materiale. Se la striscia si surriscalda, cosa che dovresti aver notato toccandola, entrambi gli strati si espandono nella stessa quantità. Se invece la striscia è composta da due materiali diversi, come quello che hai realizzato con carta e alluminio, accadrà qualcosa di diverso.

Tenendo la striscia di carta/alluminio sopra la fiamma avrete probabilmente osservato che essa ha subito iniziato a piegarsi o ad arricciarsi in una direzione. Si arriccia verso l'alto quando lo strato di alluminio è rivolto verso la candela e verso il basso quando lo strato di alluminio è rivolto verso il soffitto. Questo perché l'alluminio e lo strato di carta si riscaldano quando sono al di sopra della fiamma. L'alluminio si espande più della carta a causa del suo coefficiente di dilatazione termica più elevato. Poiché la carta e l'alluminio sono incollati insieme, l'alluminio si arriccia lontano dalla striscia di carta per compensare le diverse lunghezze di ciascuno dei suoi strati, come il nastro arricciato della confezione regalo! Vedrai risultati simili con altre strisce costituite da due materiali diversi che hanno coefficienti di dilatazione termica diversi.