Landesbildungsserver Baden-Württemberg - Ausdehnung von Festkörpern
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Ausdehnung von Festkörpern.


Schema Ausdehnung

Festkörper dehnen sich beim Erwärmen aus, d.h. sie werden länger und auch "dicker".
Dabei können große Kräfte entstehen, die unter Umständen auch zur Zerstörung des Körpers führen können. Daher ist es auch beim Bauen und in der Technik wichtig, die Wärmeausdehnung von Körpern zu berücksichtigen.


1. ) Festkörper verlängern sich beim Erwärmen.

Die hier gezeigten Bilder sind Ausschnitte aus entsprechenden externer Link Versuchsvideos von T. Hemmert an der Universität Würzburg.

1.1) Verlängerung eines Drahtes durch Stromfluss und Erhitzen.

Ausdehnung eines Drahtes

Ein Draht hängt von der Decke. Wird er an eine Stromquelle angeschlossen, erhitzt der kräftige Strom den Draht so stark, dass er zum Glühen kommt. Dabei verlängert er sich stark. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, so kühlt der Draht wieder ab und verkürzt sich dabei wieder auf seine Ausgangslänge.

externer Link Versuchsvideo (Format mpg, 1,6 MB)

1.2) Der Bolzensprenger

Gleich ist der Bolzen gebrochen

Ein Stab aus Schmiedeeisen wird zwischen zwei stabilen Haltungen eingespannt. Auf der rechten Seite befindet sich ein Bolzen aus Gusseisen, auf der anderen ein stabiles Gewinde mit Mutter. Der Stab wird nun mit einem Bunsenbrenner einige Minuten lang erhitzt. Dabei verlängert sich der Stab. Um den Bolzen weiter festzuhalten, wird die Flügelmutter links immer wieder nachgespannt.
Dann lässt man den Stab abkühlen. Dabei verkürzt sich die Stange immer weiter und sprengt schließlich den Bolzen.

externer Link Versuchsvideo (Format mpg, 2,7 MB)

2.) Festkörper werden auch breiter.

Eisenkugel und Ring

Zu Beginn des Experimentes passt eine Eisenkugel durch einen Ring aus Schmiedeeisen.
Danach wird die Eisenkugel etwa 40s lang mit einem Bunsenbrenner erwärmt.
Sie hat sich dabei nach allen Seiten ausgedehnt und passt danach nicht mehr durch den Ring.
Lässt man sie abkühlen, so zieht sich die Eisenkugel aber wieder zusammen und fällt schließlich durch den Ring

externer Link Versuchsvideo (Format mpg, 1,5 MB)


3) Technische Bedeutung der Wärmeausdehnung von Festkörpern.

3.1.) Bau von Brücken

Lagerung einer Brücke auf einem Pfeiler

Bestimmt ist Dir schon aufgefallen, dass man ein "plop" Geräusch hört, wenn man mit dem Auto auf eine (Autobahn-)Brücke fährt oder sie verlässt.
Das kommt daher, dass man die Brücken nicht fest mit dem umgebenden Gelände verbindet, sondern eine "Dehnungsfuge" vorsieht. Sie sorgt dafür, dass sich die Brücke ausdehnen kann, wenn sie sich in einem heißen Sommer verlängert.

Die Brücke liegt dabei auch nicht fest auf den tragenden Pfeilern auf, sondern ist auf einem Rollenlager oder Gleitlager gelagert. So kann sich die Brücke bei Ausdehnung verschieben.

Das kannst Du auf dem Bild sehen, das die Bahnüberführung in Eislingen / Fils zeigt.
An dem Zeiger kann man sogar ablesen, um wie viel sich die Brücke verlängert oder verkürzt hat.

3.2.) Ausdehnung von Eisenbahnschienen.

Auch Eisenbahnschienen verlängern sich beim Erwärmen. Die Schienen können sich dann verbiegen und ein darauf fahrender Zug kann entgleisen. Daher hat man früher zwischen den einzelnen Schienen eine Dehnfuge gelassen. Sie erzeugten das "da-dam-da-dam" Geräusch, das jedes Mal entstand, wenn das Rad in die kleine Dehnungsfuge fuhr. Das war wenig komfortabel und die Schienen waren einem schnelleren Verschleiß ausgesetzt.
Auf manchen Nebenstrecken kann man das auch heute noch beobachten.
Das Foto entstand auf der 750 mm Schmalspur externer Link Öchsle-Bahn von Warthausen nach Ochsenhausen im Landkreis Biberach.

Heute verschweißt man die Schienen und verwendet besonderen Stahl. Außerdem werden sie auf Betonschwellen sehr fest verschraubt und mit dem Boden gut verankert. (Schau Dir hier z.B. den Gleisbau bei einer neuen Hochgeschwindigkeitsstrecke an.)

Dehnfuge bei Eisenbahnschienen

3.3.) Ausdehnung von Oberleitungen bei der Bahn.

Spannen eines Fahrdrahtes

Nicht nur die Schienen können sich beim Erwärmen verlängern, sondern auch die Oberleitungen für die Stromzufuhr zu den Elektrolokomotiven. Im Sommer würden diese durchhängen, im Winter könnten sie durch zu starke Spannung u.U. reißen.

Daher werden die Leitungsdrähte an den Masten nicht fest verschweißt, sondern werden in bestimmten Abständen von wenigen Kilometern über Umlenkrollen von Gewichten gespannt. Diese Gewichte können sich bei Ausdehnung nach unten und bei Abkühlung nach oben bewegen und halten so die Leitungsdrähte immer straff gespannt.
Solche Ansatzstellen sind überraschend häufig, vor allem, wenn die Streckenführung kurvig ist.
Das Foto zeigt einen so gespannten Fahrdraht auf der Remstalbahn bei Lorch Württemberg.

Bei den großen Stromleitungen ist dies übrigens kein Problem, sie hängen bei Temperaturänderung mehr oder weniger durch. Anders als bei der Eisenbahn müssen sie ja keinen festen Abstand zum Erdboden haben.

3.4.) Anschlussfugen bei Badewannen und Duschen.

Wahrscheinlich hast Du schon bemerkt, dass Fliesen mit einem Fugenmörtel verfugt sind, die Anschlussfugen zu Badewannen und Duschen aber mit einer gummiartigen Substanz - Silicon - verfugt sind. Warum?

Ist heißes Wasser in der Wanne, dehnt sie sich aus. Wären die Anschlussfugen mit Mörtel gefüllt, würden sie in kürzester Zeit Risse bekommen. Wasser würde eindringen und Schäden in der Wand verursachen.
Das Silicon wird beim Ausdehnen der Wanne leicht zusammengedrückt, bleibt aber elastisch und dichtet gut ab. Es bildet die Dehnungsfuge.
Auch in den Ecken, wo die Wände aneinander stoßen und am Fußboden sieht man solche Silicon-Fugen vor.

Dehnungsfugen an einer Badewanne

Dehnungsfugen beim Bau.

Auch beim Bau muss man solche Dehnungsfugen in bestimmten Abständen vorsehen. Lange Betonmauern sind daher nie in voller Länge vergossen, sondern es ist in bestimmten Abständen immer eine Dehnungsfuge vorgesehen. Auch bei den Estrichen bei Fußböden muss man ab einer bestimmten Fläche solche Dehnungsfugen vorsehen.
In Häusern ist das Problem aber kleiner als in der Natur, weil die Temperaturunterschiede nicht so groß sind.


Kennst Du noch andere Fälle, wo die Ausdehnung von Festkörpern eine Rolle spielt?
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Wir würden uns darüber freuen und Deinen Beitrag (mit Namensnennung) hier noch aufnehmen.

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