Ένα κομμάτι σύρμα θερμαίνεται και διαστέλλεται

Μία απλή κατασκευή για τη μελέτη της θερμικής διαστολής ενός κομματιού σύρματος

Υλικά που χρειαζόμαστε

κομμάτι χαρτόνι από χαρτόκουτα σχήματος "μακρύ" "Π" με διαστάσεις 27x10 εκ. περίπου, με εσοχές κατάλληλα κομμένες ένα κομμάτι σύρμα λεπτό και σχετικά τραχύ (καμιά φορά είναι αρκετά λείο κι εδώ θέλουμε ενισχυμένη τριβή ανάμεσα στα σύρματα) με πάχος 1 χιλ. περίπου μήκους 18-20 εκ. ένα κομμάτι σύρμα λεπτό και σχετικά τραχύ με πάχος 1 χιλ. περίπου μήκους 5 εκ. 4 καπάκια από πλαστικό μπουκάλι, νερού ή αναψυκτικού, για να κολληθούν στο χαρτόνι και να χρησιμοποιηθούν ως βάση της κατασκευής ένα κομμάτι χαρτόνι 3x1 εκ. περίπου για να φτιάξουμε ένα "βελάκι" που θα είναι ο "δείκτης διαστολής" του σύρματος άλλο ένα κομμάτι χαρτόνι 10x5 εκ. περίπου για να χρησιμοποιηθεί ενδεχομένως πίσω από το δείκτη, ως "οθόνη" για να γίνει ευδιάκριτος κατά την κίνησή του (προαιρετικό) τρία κεράκια ρεσώ και αναπτήρα ή σπίρτα (με προσοχή πάντοτε!) υγρή κόλλα ή θεμοσιλικόνη με πιστόλι

Τι θα κάνουμε

Από ένα κομμάτι χαρτόκουτας κόβουμε ένα χαρτόνι σε σχήμα μακρύ "Π", με διαστάσεις 27x10 cm περίπου και με μια εσοχή στα 5 cm από τις άκριες της μίας πλευράς με διαστάσεις 17χ4,5 cm περίπου για να χωράνε τα κεράκια ρεσώ. Από τη μία μεριά του, κολλάμε (με υγρή κόλλα ή με θερμοσιλικόνη) 4 καπάκια από πλαστικά μπουκάλια νερού ή αναψυκτικού (ανακύκλωση και δεύτερη χρήση υλικών). Φροντίζουμε να έχουν ύψος 2+ cm, ώστε να μην είναι πολύ χαμηλά, όπως συμβαίνει σε μερικές συσκευασίες και σε κάθε περίπτωση να είναι σε μεγαλύτερο ύψος από τα κεράκια ρεσώ. Φυσικά, θα μπορούσαμε να βάλουμε και 3 καπάκια, κολλώντας τα δύο στα πλάγια της εσοχής (προς την έξω άκρια του χαρτονιού, κατά προτίμηση) και το τρίτο στο μέσον της απέναντι πλευράς.

Στη συνέχεια, λυγίζουμε λίγο την άκρια (1 cm περίπου) σε ένα κομμάτι σύρμα γαλβανιζέ, πάχους 1 mm, σε σχήμα "Γ". Αν το γαλβανισμένο σύρμα που διαθέτουμε μας φαίνεται πολύ λείο, καλό θα είναι να τρίψουμε, ελαφρά, με ένα κομμάτι γυαλόχαρτο, τη μία του άκρια, εκείνη που θα ακουμπά πάνω στο σύρμα το δείκτη, που θα κατασκευάσουμε στη συνέχεια. Το σύρμα φροντίζουμε να είναι σχετικά ίσιο, αν και ένα ελαφρά ακανόνιστο σχήμα, δεν επηρεάζει ιδιαίτερα την απόδοση της κατασκευής. Κυρίως όμως, προσέχουμε το σύρμα να είναι ίσιο στο κομμάτι που έρχεται σε επαφή με το σύρμα του δείκτη. Χρησιμοποιούμε ένα μικρό τσιμπίδι για να διαμορφώσουμε κατάλληλα την άκρια του σύρματος. Μετά, χρησιμοποιώντας μία πινέζα, κάνουμε μια τρύπα στο χαρτόνι "καρφώνουμε" εκεί τη μικρή μεριά του λυγισμένου σύρματος. Εναλλακτικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και αντίστοιχο χάλκινο σύρμα ή ακόμα και τα δύο μαζί (όπως φαίνεται στο τελευταίο βίντεο), σε μια προσέγγιση διερεύνησης της διαστολής κομματιών σύρματος από διαφορετικό μέταλλο.

Έπειτα, κατασκευάζουμε ένα δείκτη, χρησιμοποιώντας μια λωρίδα χαρτονιού και ένα κομμάτι ίδιου γαλβανισμένου σύρματος πάχους 1 mm και μήκους 5 cm περίπου. Η λωρίδα χαρτονιού του δείκτη έχει πλάτος 1-1,5 cm και μήκος 3-4 cm περίπου. Από τη μία άκρη, την ψαλιδίζουμε, διαμορφώνοντας μια οξεία γωνία, σε "σχήμα βέλους". Με μια πινέζα, τρυπάμε προσεκτικά το χαρτονένιο βέλος στη μέση περίπου και περνάμε το κομμάτι σύρμα, που κόψαμε προηγουμένως για το δείκτη. Αν το χαρτονάκι του βέλους δεν σταθεροποιείται πάνω στο σύρμα και γυρίζει μόνο του γύρω γύρω, το σταθεροποιούμε με μια σταγόνα κόλλα και περιμένουμε να στεγνώσει.

Στη συνέχεια, τοποθετούμε το δείκτη με το "χαρτονάκι βέλος" στη μία μεριά του χαρτονιού της βάσης και ακουμπάμε πάνω του το κομμάτι σύρμα σε σχήμα "Γ", το οποίο έχουμε σταθεροποιήσει από την άλλη μεριά (που είναι καρφωμένο μέσα στην τρύπα του χαρτονιού). Φροντίζουμε τα δύο σύρματα να ακουμπάνε καλά το ένα πάνω στο άλλο έτσι, ώστε να "δουλέψει" ο δείκτης όταν θα αρχίζει να θερμαίνεται το σύρμα. Επίσης, φροντίζουμε τα σύρματά μας να είναι σχετικά τραχιά (συνήθως είναι έτσι), διαφορετικά γυαλοχαρτίζουμε ελαφρά τα σημεία επαφής τους.

Τέλος, περνάμε με προσοχή τα 3 κεράκια ρεσώ κάτω από το σύρμα και είμαστε έτοιμοι να τα ανάψουμε με τον αναπτήρα ή με ένα σπίρτο. Χρησιμοποιούμε τα κεράκια ρεσώ με μεγάλη προσοχή και απομακρύνουμε όλα τα αντικείμενα πάνω από το θρανίο. Προτιμάμε κεράκια ρεσώ απλά και συνηθισμένα και όχι εκείνα που έχουνε μεγαλύτερη διάρκεια ανάματος, τα οποία έχουνε μεγαλύτερο ύψος, πράγμα το οποίο μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα στην κατασκευή μας (π.χ. τα κεράκια να αγγίζουν το σύρμα ή/και να ξεπερνούν σε ύψος τα καπάκια της βάσης). Το πείραμα μπορούμε να το κάνουμε σε ομάδες των 4 ή/και σε ζευγάρια, πάντα με προσοχή στα κεράκια ρεσώ και στους αναπτήρες ή στα σπίρτα!

Ερωτήματα

• Τι παρατηρείτε να συμβαίνει στο χαρτονένιο δείκτη;
• Τι παρατηρείτε ότι συμβαίνει στο σύρμα;
• Γιατί νομίζετε ότι συμβαίνει αυτό;
• Τι θα συμβεί εάν χρησιμοποιήσουμε ένα ή δύο κεράκια ρεσώ μόνο;
• Τι θα συμβεί αν χρησιμοποιήσουμε τέσσερα κεράκια ρεσώ;
• Τι θα συμβεί εάν μικρύνουμε το μήκος του σύρματος; (ενδεχομένως θα χρειαστεί να τροποποιήσουμε λίγο και το χαρτόνι βάσης)
• Τι θα συμβεί αν βάλουμε ένα χάλκινο ή ένα αλουμινένιο σύρμα στη θέση του σιδερένιου (γαλβανισμένου) σύρματος;
• Μπορείτε να σκεφτείτε έναν τρόπο να κάνουμε τη σύγκριση ανάμεσα σε δύο διαφορετικά σύρματα; (για να δούμε τι θα συμβεί)
• Μπορούμε να τοποθετήσουμε το "δείκτη βέλος" και με άλλο τρόπο; Τι θα συμβεί;
• Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σύρμα από διαφορετικό μέταλλο;
• Τι θα συμβεί αν το σύρμα μας είναι χάλκινο ή αλουμινένιο; Πώς μπορούμε να το διερευνήσουμε;
• Τι θα συμβεί αν το σύρμα μας είναι πιο λεπτό ή πιο χονδρό; Πώς μπορούμε να το διερευνήσουμε;

Σβήστε τώρα τα κεράκια ρεσώ …

• Τι συμβαίνει τώρα στο χαρτονένιο δείκτη;
• Γιατί νομίζετε ότι γυρίζει πίσω στην αρχική του θέση;
• Πώς συμβαίνει αυτό;

Τι συμβαίνει;

Ο όγκος ενός στερεού μεταβάλλεται όταν το σώμα ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον. Την αύξηση του όγκου ενός σώματος που παίρνει θερμότητα την ονομάζουμε διαστολή, ενώ τη μείωση του όγκου του την ονομάζουμε συστολή. Η διαστολή είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικό φαινόμενο για τα μεταλλικά σώματα. Δεν συμβαίνει σε ίδια έκταση σε μη μεταλλικά σώματα, π.χ. στο ξύλο και στο γυαλί. Παρόλο που η αύξηση του όγκου γίνεται και στις τρεις διαστάσεις (μήκος, πλάτος & ύψος), όταν το μεταλλικό αντικείμενο έχει τη μορφή ράβδου, η διαστολή (και η συστολή) είναι περισσότερο εμφανής στο μήκος του και γι αυτό ονομάζεται "γραμμική διαστολή" (και συστολή, αντίστοιχα). Η παρατηρούμενη αύξηση του μήκους της ράβδου (ή του κομματιού του σύρματος) είναι ανάλογη με το αρχικό της μήκος και με την αύξηση της θερμοκρασίας του, ενώ εξαρτάται και από το είδος του υλικού του μετάλλου (π.χ. σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο κλπ.). Παλιότερα, στον εξοπλισμό των εργαστηρίων, υπήρχε μια πειραματική συσκευή για τη γραμμική διαστολή μεταλλικών ράβδων με δείκτη και υποδοχή για βαμβάκι με οινόπνευμα, το οποίο ανάβαμε ως "πηγή θερμότητας". Από τη μια μεριά, η ράβδος ήταν βιδωμένη πάνω στη συσκευή, ενώ η άλλη μεριά έσπρωχνε τη διάταξη του δείκτη έτσι, ώστε η μετακίνησή του να μεταβάλει τις ενδείξεις πάνω σε μια κλίμακα μέτρησης (βλ. σχετικό σκίτσο). Όμως, το ίδιο μπορούμε να κάνουμε και με την απλή συσκευή από ανακυκλώσιμα υλικά δεύτερης χρήσης, όπως αυτή που έχουμε εδώ και να μελετήσουμε με επάρκεια το ίδιο φαινόμενο. Από τη μια μεριά, λοιπόν, το σύρμα είναι κατάλληλα στραβωμένο και "κλειδωμένο" μέσα στο χαρτόνι, στην τρύπα που το έχουμε σπρώξει. Από την άλλη είναι ελεύθερο και ακουμπά πάνω στο άλλο (το κάθετο) σύρμα, που πάνω έχουμε στερεώσει το χαρτονένιο "δείκτη βέλος" (βλ. σχετική φωτογραφία). Όταν ανάβουμε τα τρία κεράκια ρεσώ και θερμαίνεται το σύρμα, τότε αυτό διαστέλλεται, δηλαδή μεγαλώνει το μήκος του (αλλά και το πλάτος και ύψος του, μόνο που αυτό είναι δύσκολο να το "δούμε") και έτσι όπως ακουμπά πάνω στο σύρμα του δείκτη, "καταφέρνει" να το "παρασύρει" και να το στρίψει λίγο, μετακινώντας ταυτόχρονα και το χαρτονένιο "δείκτη βέλος" προς τα πάνω. Δηλαδή, η τριβή ανάμεσα στις επιφάνειες των δύο (κυλινδρικών) συρμάτων, κάνει το σύρμα του δείκτη να μετακινείται έτσι, ώστε να γίνεται ορατή η (γραμμική) διαστολή του σύρματος (δηλ. να "βλέπουμε" το "μεγάλωμα" του μήκους του). Όταν σβήσουμε τα κεράκια ρεσώ, το κομμάτι σύρματος της βάσης, αρχίζει να "μικραίνει" στο μήκος του, δηλαδή να συστέλλεται και με παρόμοιο τρόπο να τρίβεται και να παρασέρνει σύρμα του δείκτη (και το δείκτη βέλος μαζί) σε μια αντίστροφη πορεία. Έτσι, λοιπόν, θυμίζουμε ότι τα στερεά σώματα (και τα μέταλλα, όπως το σύρμα), όταν παίρνουν ενέργεια (θερμότητα) διαστέλλονται, δηλαδή μεγαλώνει ο όγκος τους, ενώ όταν δίνουν ενέργεια (θερμότητα) και ψύχονται, μικραίνει ο όγκος τους.

Διδακτική αξιοποίηση
Το πείραμα αυτό, με τη διαστολή και συστολή ενός σύρματος με δείκτη, μπορεί εύκολα να γίνει στην τάξη σε ομάδες ή ακόμα και με ζευγάρια παιδιών. Τα υλικά είναι απλά και ανακυκλώσιμα, με σχεδόν καθόλου κόστος. Τα κεράκια ρεσώ μπορούν να τα φέρουν και από το σπίτι. Προσοχή, όμως, στη χρήση των κεριών ρεσώ, αν και γενικά θεωρούνται ασφαλή. Καλό θα είναι να έχουμε κοντά μας λίγο νερό ή μια βρεγμένη πετσέτα ή/και ένα μικρό πυροσβεστήρα, για κάθε ενδεχόμενο. Το πείραμα εντάσσεται στην ενότητα "Θερμότητα" της Ε΄ τάξης και συγκεκριμένα στη "διαστολή και συστολή των στερεών" [Φύλλο Εργασίας 6]. Μπορείτε κι εσείς να κατασκευάσετε τις δικές σας διατάξεις βάσης (τα δικά σας πειράματα), με αντίστοιχους χαρτονένιους δείκτες και να δοκιμάσετε διαφορετικά υλικά και μέταλλα (σύρματα) ή ό,τι άλλο δημιουργικό σκεφτείτε και να τα μοιραστείτε με άλλα παιδιά και εκπαιδευτικούς. Δείτε επίσης τα δύο βιντεάκια που ακολουθούν, με δικές μας προσπάθειες συστολής και διαστολής ενός, αλλά και δύο διαφορετικών συρμάτων (σιδερένιο και χάλκινο).

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με τη διαστολή και συστολή ενός κομματιού γαλβανισμένου σιδερένιου σύρματος με μια απλή διάταξη

Δείτε παρακάτω ένα βίντεο με τη διαστολή και συστολή 2 συρμάτων (χαλκού δεξιά και γαλβανισμένου σιδήρου (αριστερά) με μια απλή διάταξη

Δείτε ακόμα ένα βίντεο με πειράματα από από τον Χρυσόστομο Τουτουντζόγλου για τη θερμική διαστολή-συστολή των στερεών, όπως: o δακτύλιος του Gravesande [circa 1725] (διαστολή σφαίρας κατ' όγκο), η συσκευή γραμμικής διαστολής που περιγράψαμε παραπάνω και μερικές εφαρμογές "της επιστήμης στην καθημερινή ζωή"