Номер 3, страница 11 - гдз по физике 7 класс контрольные и самостоятельные работы Громцева

Введение. Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества. Самостоятельные работы. СР-5. Строение вещества. Вариант № 1 - номер 3, страница 11.

Решение.

Железнодорожные рельсы не делают сплошными из-за физического явления, называемого тепловым расширением. Практически все материалы, включая сталь, из которой сделаны рельсы, имеют свойство изменять свои линейные размеры при изменении температуры.

Этот процесс описывается формулой линейного теплового расширения:

$\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$

где $\Delta L$ – изменение длины рельса, $\alpha$ – коэффициент линейного теплового расширения стали (примерно $1.2 \cdot 10^{-5} \, \text{°C}^{-1}$), $L_0$ – первоначальная длина рельса, а $\Delta T$ – изменение температуры. Из этой формулы видно, что даже при небольшом изменении температуры длинный рельс может значительно изменить свою длину.

Рассмотрим, что произошло бы, если бы рельсы были сплошными.

Летом или в жаркий день температура воздуха и самих рельсов, которые сильно нагреваются на солнце, значительно повышается. Рельсы пытаются удлиниться. Если им некуда расширяться, в металле возникают огромные сжимающие напряжения. Эти напряжения могут привести к тому, что рельсы изогнутся, «выскочат» из креплений и потеряют свою прямолинейность. Такое явление называется «выброс пути» и является чрезвычайно опасным, так как может привести к крушению поезда.

Зимой или в холодную ночь температура падает, и рельсы, наоборот, сжимаются, пытаясь укоротиться. В сплошном рельсе это вызвало бы колоссальные растягивающие напряжения, которые могут привести к разрыву рельса и образованию опасной трещины.

Чтобы избежать этих разрушительных последствий, при укладке традиционных железнодорожных путей между отдельными секциями рельсов оставляют небольшие зазоры, называемые температурными (или компенсационными) зазорами. Эти зазоры позволяют рельсам свободно удлиняться и укорачиваться при колебаниях температуры, не создавая критических напряжений в конструкции пути. Именно из-за этих зазоров при движении поезда слышен характерный стук колес.

Стоит отметить, что в современном железнодорожном строительстве все чаще применяется технология «бесстыкового» или «бархатного» пути, где рельсы свариваются в очень длинные плети (сотни метров или даже километры). В этом случае проблема теплового расширения решается по-другому: рельсы укладывают и закрепляют на тяжелых железобетонных шпалах при определенной «температуре закрепления». Мощные крепления и большое сопротивление шпал не дают рельсам изгибаться при нагреве или разрываться при охлаждении. Возникающие температурные напряжения остаются внутри металла, но конструкция пути рассчитана на то, чтобы выдерживать их.

Ответ: Железнодорожные рельсы не делают сплошными для компенсации их теплового расширения и сжатия. При изменении температуры окружающей среды стальные рельсы меняют свою длину. Летом они удлиняются, и если бы не было зазоров, они бы изогнулись под действием сжимающих напряжений. Зимой рельсы укорачиваются, и в сплошной конструкции могли бы возникнуть растягивающие напряжения, способные привести к разрыву. Поэтому между секциями рельсов оставляют специальные температурные зазоры, которые позволяют им свободно изменять длину без деформации и разрушения пути.