Tačiau vasaros mėnesiais, kai temperatūra pakyla, Eifelio bokštas tampa dar aukštesnis nei buvo numatyta jo pirminiame projekte. Kodėl taip vyksta?
Lengva geležinė konstrukcija
Eifelio bokštas buvo pastatytas 1889 m. Pasaulinei parodai, siekiant paminėti Prancūzijos revoliucijos šimtmetį.
Eiffelis jo statybai pasirinko lydytą geležį – medžiagą, kurią jis gerai pažinojo ir buvo sėkmingai naudojęs ankstesniuose projektuose. Tokia geležis gali atlaikyti didelius krūvius, todėl buvo galima pastatyti didelį, labai lengvą bokštą, kuris būtų saugus nuo horizontaliai pučiančių vėjų.
Kad būtų lengviau įsivaizduoti, koks lengvas yra bokštas: jo svoris – 7300 tonų – yra beveik toks pat, kaip jame esančio oro tūris – apie 6300 tonų.
Eifelio bokštas buvo numatytas kaip pagrindinis apžvalgos punktas, taip pat kaip radijo transliacijų bazė. Pats bokštas yra gigantiška trikampė grotelių konstrukcija, labai panaši į Garabito viaduką (taip pat suprojektuotą Eiffelio biuro) ir Forto tiltą Škotijoje, abu statiniai iš to paties laikotarpio.
Visos šios konstrukcijos išsiplečia, kai medžiagos temperatūra pakyla. Tačiau, skirtingai nuo tiltų, kurių reakcija yra sudėtingesnė, Eifelio bokštas dėl temperatūros pokyčių išsiplečia ir susitraukia daugiausia vertikaliai. Šis reiškinys vadinamas terminiu plėtimusi.
Medžiagų plėtimasis ir susitraukimas
Žinome, kad dauguma kietųjų kūnų plečiasi, kai temperatūra pakyla, ir susitraukia, kai ji nukrinta. Taip yra todėl, kad temperatūros padidėjimas sukelia didesnį atomų judėjimą, o tai lemia vidutinio atstumo tarp jų padidėjimą.
Priklausomai nuo ryšio pobūdžio, skirtingi kietieji kūnai patiria didesnį ar mažesnį plėtimąsi, kurį inžinieriai turi labai atidžiai registruoti. Keramika ir stiklas, turintys stipresnius ryšius, plečiasi mažiau nei metalai, kurie savo ruožtu plečiasi mažiau nei polimerai.
Taigi, kaip galime įvertinti kietosios medžiagos judėjimo mastą? Kai elementai yra tiesūs – kaip dažniausiai būna architektūros srityje, kur vyrauja sijos ir strypai – judėjimas yra proporcingas trims parametrams: elemento ilgiui, jo temperatūros pokyčiui ir medžiagos plėtimosi koeficientui.
Temperatūros poveikis
Daugelis keraminių medžiagų paprastai turi plėtimosi koeficientus nuo 0,5×10⁻⁶ iki 1,5×10⁻⁶ (°C) ⁻¹, o metalai – nuo 5×10⁻⁶ iki 30×10⁻⁶ (°C)⁻¹, o polimerai – nuo 50×10⁻⁶ iki 300×10⁻⁶ (°C)⁻¹. Šie (galbūt keistai atrodantys) skaičiai rodo standartinio ilgio vieneto padidėjimą, kai temperatūra pakyla vienu Celsijaus laipsniu.
Labiausiai plėstis linkusios medžiagos yra polimerai, kurie plėstis apie dešimt kartų daugiau nei metalai, o metalai – plėstis dešimt kartų daugiau nei keramika.
Eifelio bokšte naudota lydyta geležis ir jo plieninės sudedamosios dalys turi koeficientą apie 12×10⁻⁶ (°C)⁻¹, o tai reiškia, kad vieno metro ilgio geležinis strypas išsiplečia 12×10⁻⁶ metrų, kai temperatūra pakyla vienu laipsniu. Tai yra tik keliolika mikronų, mažiau nei žmogaus plauko storis.
Ar šiluma turi pastebimą poveikį pastatams? Taip, jei atsižvelgsime į du kitus parametrus: elemento ilgį ir temperatūros diapazoną, kuriame jis yra.
Ilgis gali būti labai didelis. Eifelio bokštas yra 300 m aukščio, bet Garabito viadukas yra 565 m ilgio, o Forto tiltas yra daugiau nei 2,5 km ilgio. Šiandien yra daug didesnių linijinių konstrukcijų, o šiluminė plėtra taip pat daro poveikį geležinkelio bėgiams, kuriems daugelis tiltų yra pastatyti.
Taip pat reikia analizuoti istorinius temperatūros svyravimus. Paryžiuje temperatūra registruojama jau daugiau nei du šimtmečius, žiemą temperatūra nukrinta žemiau -20⁰C, o vasarą pakyla iki maždaug 40⁰C. Taip pat reikia atsižvelgti į saulės spindulių poveikį – tiesioginiuose saulės spinduliuose metalai gali įkaisti iki daug aukštesnės temperatūros, dažnai viršijančios 60⁰C ar 70⁰C.
Pasisuka nuo saulės
Dabar atlikime skaičiavimus. Įvertinsime, kiek paprastas 100 metrų ilgio metalinis strypas išsiplečia, kai temperatūra svyruoja 100⁰C – tai apytikslis temperatūrų diapazonas, kurį patiria Eifelio bokštas.
Skaičiavimas yra paprastas. Jei vieno metro strypas išsiplečia 0,000012 metro, kai temperatūra pakyla vienu laipsniu, 100 metrų strypas išsiplečia 0,12 metro, kai temperatūra pakyla 100 laipsnių. O 300 metrų strypas išsiplečia tris kartus daugiau: 0,36 metro. Tai yra 36 cm. Tai yra pastebimas skirtumas.
Akivaizdu, kad paprastas strypas elgiasi kitaip nei bokštas, sudarytas iš daugiau nei 18 000 visomis kryptimis orientuotų sukniedytų geležies dalių. Be to, saulė visada šviečia į vieną jo pusę. Tai reiškia, kad viena jo pusė išsiplečia labiau nei kitos, dėl to bokštas šiek tiek išlinksta, tarsi pasisuktų nuo saulės.
Specialistai apskaičiavo, kad Eifelio bokštas iš tiesų išauga nuo 12 iki 15 centimetrų, lyginant jo dydį šaltomis žiemos dienomis su karščiausiomis vasaros dienomis. Tai reiškia, kad Eifelio bokštas yra ne tik orientyras, ryšių bokštas ir pats Paryžiaus simbolis, bet ir milžiniškas termometras.
Parengta pagal studyfinds.org