Dilatación térmica y juntas de dilatación en las vías del tren de hielo

Actividad 1 — Leo el planteamiento y comprendo el fenómeno físico

Contexto del enunciado. En un apartado anterior se analizó un tramo de la ruta del tren de hielo centrado en la locomotora. Ahora el análisis se centra en las vías del tren. La lectura explica que en las vías de tren siempre se deja un pequeño espacio en la unión de las guías de la vía: no existe una línea continua de riel. Esto no es casualidad, sino que tiene una explicación física: evitar fallas y pandeos (deformaciones) en los rieles debido a los cambios de temperatura.

1. Al viajar en tren se escucha un sonido peculiar de traqueteo que se produce al pasar las ruedas por los espacios que existen entre cada tramo o riel.
2. Cada vez que una rueda cruza un espacio, la transmisión de la carga cambia bruscamente y aparece el golpe sonoro; por eso el sonido es rítmico y periódico.
3. Pregunta central del texto: ¿cuál es la razón para dejar este espacio entre dos rieles contiguos?

1. La dilatación térmica es un factor importante en el diseño de los rieles de los ferrocarriles.
2. Es producida por altas o bajas temperaturas, provocando dilataciones térmicas (al calentar el metal) y también contracciones térmicas (al enfriarlo).
3. En forma cualitativa, la elongación de un sólido se expresa con la ley de la dilatación lineal: \Delta L = \alpha \, L_{0} \, \Delta T donde \Delta L es la variación de longitud, \alpha es el coeficiente de dilatación lineal del material, L_{0} es la longitud inicial y \Delta T es la variación de temperatura.
4. Si se aumenta la temperatura (\Delta T > 0), entonces \Delta L > 0 y el riel se dilata; si disminuye la temperatura (\Delta T < 0), entonces \Delta L < 0 y el riel se contrae.
5. El tren de hielo, por su ubicación, está expuesto a temperaturas muy bajas y, en ocasiones, a temperaturas altas, es decir, experimenta \Delta T grandes y con signo variable.

1. Si las vías estuviesen unidas de forma continua, al calentarse no tendrían dónde dilatarse.
2. El riel intentaría aumentar su longitud pero estaría restringido por sus extremos fijos: aparecerían esfuerzos internos de tracción y compresión, junto con desgastes y, eventualmente, pandeos o pandeos de la vía.
3. En términos mecánicos, el material quedaría sometido a un estado de esfuerzo inducido por la temperatura, e incluso podría alcanzar la fluencia o la fractura.

1. Los espacios que se dejan entre tramos de riel son las juntas de dilatación.
2. Definición: son espacios libres que permiten aumentar o disminuir el tamaño de los rieles sin deformarse.
3. Al calentarse, el riel dilata y «cierra» parcialmente el espacio; al enfriarse, se contrae y lo reabre.
4. Así el riel puede expandirse y contraerse de forma libre, sin generar esfuerzos internos peligrosos, protegiendo la integridad estructural de la vía.

Ejemplo típico relacionado (para fijar la idea)

Considere un tramo de riel de acero con L_{0} = 20 \, \text{m}, \alpha = 12 \times 10^{-6} \, \text{K}^{-1}, que experimenta un aumento de temperatura de \Delta T = 40 \, \text{K}.

1. Sustituimos en la fórmula: \Delta L = (12 \times 10^{-6}) \times (20) \times (40).
2. \Delta L = 240 \times 40 \times 10^{-6} = 9600 \times 10^{-6} \, \text{m}.
3. \Delta L = 9{,}6 \times 10^{-3} \, \text{m} = 0{,}96 \, \text{cm}.
4. Conclusión: el riel crece casi 1 \, \text{cm}; por eso hace falta dejar ese espacio libre entre tramos, que es de la misma magnitud que la dilatación esperada.

Respuesta (idea central): los espacios se dejan para alojar la dilatación y contracción térmica de los rieles; son las juntas de dilatación y evitan pandeos, desgastes y fallas por esfuerzos internos causados por los cambios de temperatura.