Planteamiento (lectura de la página 172, que continúa en la pág. 174):
En las vías del tren de hielo se deja un pequeño espacio en la unión de los tramos de riel; no hay una línea continua. Al pasar las ruedas sobre estos espacios se produce un sonido peculiar de traqueteo. ¿Cuál es la razón para dejar ese espacio entre dos rieles contiguos? (La actividad propiamente dicha aparece en la página siguiente.)
¿Por qué se dejan espacios entre los rieles contiguos?
- Todo material metálico experimenta cambios de longitud cuando varía su temperatura. Esto es la dilatación térmica (y, al enfriarse, la contracción térmica).
- El tramo de riel tiene una longitud inicial L_{0} a una temperatura T_{0}. Al calentarse hasta T, su longitud se modifica según \Delta L = \alpha \, L_{0} \, \Delta T donde \alpha es el coeficiente de dilatación lineal del acero y \Delta T = T - T_{0}.
- Como el tren de hielo está expuesto a temperaturas muy bajas (contracción) y también, ocasionalmente, a temperaturas altas (dilatación), los rieles cambian continuamente de longitud a lo largo del día y de las estaciones.
- Si los rieles estuvieran soldados o unidos de forma continua, un aumento de \Delta T forzaría al riel a alargarse sin poder hacerlo: aparecerían esfuerzos internos enormes de tracción y compresión, con pandeo (abombamiento lateral), desgaste acelerado e incluso fracturas.
- Por eso se diseñan las juntas de dilatación: son espacios libres calculados para absorber el aumento de longitud \Delta L del riel, de modo que los tramos puedan crecer o encoger sin deformarse. El traqueteo que se oye es simplemente el sonido de las ruedas al saltar sobre ese espacio.
porque los rieles se dilatan y contraen con los cambios de temperatura; sin esos espacios (juntas de dilatación) los rieles sufrirían esfuerzos de tracción y compresión que provocarían pandeos y fallas.
¿Qué son las juntas de dilatación?
- Son espacios libres deliberadamente dejados entre dos tramos de riel contiguos.
- Su función es permitir el alargamiento \Delta L = \alpha L_{0} \Delta T y el acortamiento de los rieles sin que estos se deformen.
- Deben dimensionarse con el máximo \Delta T esperado: el ancho de junta \Delta L debe ser mayor o igual que la variación térmica máxima.
- Ejemplo numérico: para un riel de L_{0} = 20{,}0 \, \text{m} de acero (\alpha = 1{,}2 \times 10^{-5} \, ^\circ\text{C}^{-1}) sometido a una variación de \Delta T = 40 \, ^\circ\text{C}: \Delta L = (1{,}2 \times 10^{-5} \, ^\circ\text{C}^{-1})(20{,}0 \, \text{m})(40 \, ^\circ\text{C}) = 9{,}6 \times 10^{-3} \, \text{m} = 9{,}6 \, \text{mm} Es decir, el espacio libre debe ser de al menos 9{,}6 \, \text{mm} para ese caso.
son espacios libres entre rieles que absorben la variación de longitud \Delta L = \alpha L_{0} \Delta T por efecto de la temperatura, evitando deformaciones.
¿Por qué se oye el traqueteo al pasar el tren?
- La junta de dilatación rompe la continuidad de la superficie de rodadura: hay un escalón o separación entre un tramo y el siguiente.
- Al pasar las ruedas sobre ese espacio, la rueda cae ligeramente y luego se apoya de nuevo en el riel siguiente.
- El cambio repentino de apoyo y el golpe mecánico generan la vibración y el sonido de traqueteo característico.
Nota: la página plantea la lectura y la pregunta; los apartados específicos a)–d) de la actividad están en la página siguiente (pág. 174).
porque las ruedas caen y vuelven a apoyarse al pasar por el espacio libre de la junta de dilatación, generando golpes y vibraciones.
