„Горещият“ танц на Айфеловата кула

Архитектът и професор Федерико де Исидро Гордехуела отбелязва, че този сезонен растеж, обусловен от прости физични закони, е достатъчно голям, за да издигне върха на конструкцията значително над първоначалната й проектна линия, пише Interesting Engineering.

Защо желязото се разширява на слънце?

Всички твърди тела се разширяват, когато се нагреят, защото добавената топлина кара атомите им да вибрират по-силно, като ги раздалечава малко повече.

Колко се разширяват зависи от три фактора: коефициентът на топлинно разширение на материала, дължината на парчето и промяната в температурата, на която е подложено. Професор де Исидро Гордехуела е изчислил тези стойности в статия за The Conversation.

Керамичните връзки са здрави и почти не се разширяват, полимерите са хлабави и могат да се раздуват, докато металите са някъде по средата. Желязото и стомана на Айфеловата кула имат коефициент от около 12×10⁻⁶ на °C (това е приблизително 6,7 милионни от метъра на метър за всеки градус по Фаренхайт). На практика, желязна пръчка дължина един метър се разширява само с дванадесет микрометра, което е по-тънко от човешки косъм, когато температурата й се повиши с един градус по Целзий.

Малките числа се умножават бързо с увеличаването на размерите и температурните колебания. В Париж са регистрирани зимни минимуми под –20 °C (–4 °F) и летни максимуми близо до 40 °C (104 °F), което е разлика от около 100 °C (180 °F). Пряката слънчева светлина може да повиши температурата на метала далеч над температурата на въздуха, но дори този 100-градусов диапазон е достатъчен, за да се види ефектът.

Умножете 100-метрова (328 фута) метална пръчка по коефициента на желязото и по промяна от 100 °C, и резултатът е 0,12 метра, дванадесет сантиметра допълнителна дължина (почти 5 инча добавена дължина). Мащабирайте упражнението до пълните 300 метра (984 фута) на кулата и теоретичното удължение се утроява до 36 сантиметра, или малко над 14 инча.

Измерване на сезонното издигане на кулата

Айфеловата кула е много по-сложна от една права греда. Тя е триизмерна мрежа от над 18 000 железни елемента с тегло 7300 тона. Някои елементи са почти вертикални, други са извити и подпорни, а силите на вятъра действат във всички посоки. Въпреки това, общата термична реакция все още се определя от вертикалното движение.

Инженерите, които наблюдават кулата, установяват реално сезонно отклонение от 12 до 15 сантиметра (5 до 6 инча). Тази цифра се вписва добре в простата горна граница от 36 сантиметра (14 инча), след като се отчетат геометрията на решетката, нитовите съединения и неравномерното нагряване.

Слънчевата светлина въвежда още едно усложнение. Тъй като една от стените винаги е по-топла от останалите, металът от тази страна се удължава малко повече, което кара цялата кула да се наклони с няколко градуса от слънцето, преди да се изравни отново след залез.

Всъщност конструкцията действа и като гигантски термометър: височината и минималното ежедневно накланяне следят циклите на затопляне и охлаждане в Париж.

Железен урок по ежедневна физика

Термичното разширение е рутинно съображение в инженерството; същите уравнения важат за „Виадукта Гарабит на Ейфел“, шотландския мост Форт и дори за обикновените железопътни релси, но Айфеловата кула предлага най-видимата демонстрация.

Това, което започва на атомно ниво, се превръща стъпка по стъпка в движение, достатъчно голямо, за да бъде регистрирано от геодезистите.

Всяко лято емблематичният символ на Париж е малко по-висок и малко по-наклонен, отколкото през зимата, което е живо напомняне, че дори и на пръв поглед твърдите паметници тихо реагират на температурата на света, който ги заобикаля.