金属製のリングを加熱すると、膨張しますか、それとも収縮しますか？穴は小さくなるのではなく、大きくなります。

直接的に言うと、金属製のリングを加熱すると、膨張します。リングのあらゆる寸法が増加し、その厚さ、全体の直径、そしておそらく最も直感に反することですが、中央の穴の直径も大きくなります。穴は小さくなるのではなく、大きくなります。

理解すべき核となる原理は、熱膨張が、材料が内側に膨らんで空隙を埋めるようなものではないということです。むしろ、写真の拡大のように考えてください。オブジェクトのあらゆる部分、それが定義する空の空間も含めて、すべてが比例して拡大します。

熱膨張の物理学

金属に熱を加えると、その原子にエネルギーが伝達されます。この増加したエネルギーにより、原子はより活発に振動します。

振動するにつれて、原子は隣接する原子を押し出し、それらの間の平均距離が増加します。この分離が何兆もの原子にわたって拡大されると、オブジェクトがあらゆる方向に測定可能な膨張を引き起こします。

熱が均一に適用される限り、この膨張は材料全体で均一に発生します。

それは外縁だけでなく、材料は外側、内側、そしてあらゆる次元で同時に膨張します。

これはほとんどの人がつまずく概念です。金属が膨張して穴を「締め付け」、小さくすると想像するのは簡単です。しかし、実際はその逆です。

考え方の誤りは、穴を材料が入り込むことができる別の実体と見なすことです。

穴は物体ではなく、材料の不在です。膨張は、存在する材料の挙動によって決定されます。

リングの写真があると想像してください。その写真をコピー機で10%拡大すると、写真の中のすべてが10%大きくなります。

外縁は10%大きく、リングの厚さは10%大きく、中央の穴も10%大きくなります。内周の原子は外周の原子と同様に互いに押し離され、その結果、穴の直径が増加します。

この原理は、リング全体が同じ温度に加熱されることを前提としています。

非常に厚いリングの外側だけを加熱すると、外側は膨張しますが、冷たい内側は膨張せず、内部応力が発生します。しかし、ほとんどの標準的なリングでは、熱は十分に速く分散され、効果は均一になります。

異なる材料は異なる速度で膨張します。この特性は熱膨張係数として知られています。

例えば、アルミニウムは同じ温度変化に対して鋼よりも著しく膨張します。これは、特に異なる金属が接合される場合の工学および設計において重要な要素です。

この原理は単なる思考実験ではありません。機械工学における基本的な技術です。

焼きばめまたは圧入として知られるこのプロセスは、部品間に非常に強力な結合を作成するために使用されます。ギアを加熱して中央の穴を拡張し、シャフトに簡単に滑り込ませることができます。冷却すると収縮し、シャフトを非常に強い圧力で固定します。

この概念を理解することで、材料の挙動を予測し、利用することができます。

シャフトをリングに嵌め込むことが主な目的の場合：リングを加熱して穴を拡張し、組み立てを容易にします。
2つの固着した金属部品（ボルトとナットなど）を分離することが主な目的の場合：外側の部品（ナット）を加熱すると、膨張して冷たい内側の部品（ボルト）との密着が解除されます。
高精度なアセンブリを設計することが主な目的の場合：異なる温度で動作する材料の異なる膨張率を考慮する必要があります。

最終的に、熱は材料中の原子を離れさせ、オブジェクト全体とその内部の空間を成長させることを覚えておいてください。