Se o metal se expande quando aquecido, como o aquecimento de um parafuso o solta?

Se você estiver tendo problemas para remover um parafuso preso, o conselho comum é aquecê-lo. Mas se o metal se expandir quando aquecido, o aquecimento do parafuso não tornaria mais difícil a remoção? Como o aquecimento do parafuso faz com que ele se solte?

A resposta é surpreendentemente simples: o parafuso se expande, mas a porca se expande mais .

O que está acontecendo aqui é uma boa e velha expansão térmica:

• O parafuso é aquecido e se expande para fora, aumentando seu raio
• A porca é aquecida e ... se expande para fora, aumentando seu raio

Agora, como o raio da porca é um pouco maior que o do parafuso e como o aumento é proporcional ao comprimento restante, a porca se expande um pouco mais.

O ferro tem um coeficiente térmico no campo de 10 ^-5 / K. Isso significa que, para cada aumento de 1 K na temperatura, você tem um aumento no tamanho de 10 ^-5 : uma haste de 1 m se torna 1.00001 m de comprimento.

Se o seu parafuso tem r = 1,5 mm e a porca tem R = 1,501 mm, o que acontece é que a temperatura aumenta de 500 K? Bem:

• r = 1,5 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1,5075 mm
• R = 1,501 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1,508505 mm

Como você pode ver, antes de aquecer R - r = 1 μm, enquanto depois de R - r ≈ 1.001 μm. Aumentou!

Observe que meus números são bastante variados e usados ​​apenas para dar um exemplo. Tenho certeza de que entendi errado os valores iniciais, mas espero que eles ajudem a transmitir a mensagem de qualquer maneira.

O segredo é a expansão restrita .

Aqui estão alguns diagramas grosseiros para ajudar a explicar como funciona.

^{Parafuso preso em um buraco}

Quando o parafuso é aquecido, ele se expande. Como o eixo do parafuso está restrito, ele não pode se expandir dentro do furo.

^{O parafuso se expande na direção da seta verde, mas não pode se expandir na direção das setas vermelhas.}

À medida que o parafuso esfria, ele se contrai. A contração, no entanto, não é restrita. Isso significa que o parafuso pode encolher em todas as direções, tornando-o um pouco menor.

^{O parafuso é capaz de contrair em todas as direções.}

Depois que o parafuso esfriar, deve ser menor e mais fácil de extrair.

A razão real pela qual isso geralmente funciona é que a ferrugem é significativamente maior que o aço do qual é enferrujada, e é por isso que o parafuso está preso em primeiro lugar. Em alguns outros casos, a razão pela qual o calor funciona é que o parafuso foi aplicado com um trinco de rosca que requer aquecimento para remover (se sair sem sinal de ferrugem, é uma boa aposta)

Muitas formas de ferrugem contêm "água quimicamente ligada" e perdem essa água (e encolhem) quando aquecidas o suficiente.

O metal disposto em um anel se expande quando aquecido. Imagine um anel de fio fino sendo aquecido - ele se expande principalmente ao longo de seu comprimento, aumentando os diâmetros interno e externo. O mesmo ocorre com o material em torno de um orifício do parafuso.

Geralmente, tento aquecer a peça circundante e não o parafuso em si. No entanto, mesmo que o parafuso seja aquecido diretamente, a condução geralmente resultará em aquecimento do material circundante e, portanto, na expansão do furo.

Mais informações científicas sobre isso

Considere uma arruela ou outro anel ou disco de metal com um orifício. Quando o anel é aquecido, esperamos que ele se expanda e experimentos confirmam que ele se expande. Mas o buraco no anel se expande, contrai ou permanece do mesmo tamanho?

... [T] pense no que você faz quando tenta abrir um pote Mason, e a tampa de metal com tampa de rosca está presa. Você bate na tampa com uma colher (para tentar soltar qualquer parte da tampa que esteja presa) ou coloca a tampa em água quente. Você faz o último porque sabe que a tampa de metal se expandirá mais do que a jarra de vidro e, portanto, será mais fácil tirá-la.

E dizendo que a tampa de metal se expandirá mais do que a jarra de vidro, o que realmente queremos dizer é que o orifício na tampa se expandirá.

Na minha experiência, você precisa aquecer um parafuso congelado até que fique quente, quente e macio e removê-lo enquanto estiver quente e macio. Aquecer o parafuso e deixá-lo esfriar nunca me ajudou. À medida que o metal se contrai, o parafuso apreende; geralmente não afrouxa ... provavelmente piora a situação.

O mesmo vale para os copos que ficaram presos ... frio, a contração é a causa da apreensão .

@Vladimir Cravero (desculpe, não o suficiente para inserir um comentário) ...

Eu acho que é necessário esclarecer a resposta. A porca não está expandindo "mais", acaba maior, mas o aumento de% é o mesmo.

r = 1.5*(1+500*10-5) mm = 1.5075 mm         
R = 1.501*(1+500*10-5) mm = 1.508505 mm         

        start   after heat      increase amt    % inc
bolt    1.5     1.5075          0.0075          0.5000%
nut     1.501   1.508505        0.007505        0.5000%

Minha percepção do efeito do aquecimento é que não apenas o parafuso e a porca ou bloco se expandem, mas também o espaço entre eles também se expande, não se esqueça disso.

        start   after heat      increase amt    % inc
space   0.001   0.001005        0.0000050       0.5000%

espaço um pouco maior entre também, mais fácil de remover. :)

Eu acho que existem vários fatores que contribuem para esse efeito, mas acho que um não foi mencionado. Uma outra maneira de liberar um parafuso preso é chocá-lo, atingindo-o bruscamente. Geralmente isso é algo que você faz algo grande como uma válvula, mas acho que o problema subjacente é o mesmo. Quanto à ferrugem, eu esperaria que isso pudesse quebrar a estrutura frágil do óxido. Outro fator é que existem dois tipos de atrito. Há atrito estático e atrito cinético. Considere uma caixa de papelão pesada (cheia) no chão. Se você tentar deslizá-lo, ele inicialmente ficará 'preso'. Uma vez que a caixa começa a se mover, ela desliza muito mais facilmente. Esta é a mesma razão pela qual é ruim travar o freio de um carro. Quando a borracha começa a deslizar, o atrito é reduzido significativamente.

Temperatura é a medida da energia cinética média das moléculas de uma substância. Ou seja, as moléculas estão se movendo em qualquer substância mais quente que o zero absoluto e quanto mais rápido estiverem se movendo, mais alta a temperatura. Quando você aquece algo, você está adicionando energia cinética ao sistema. Isso está literalmente fazendo com que as moléculas do parafuso se movam cada vez mais rapidamente. Em um sólido, as moléculas não se movem livremente no espaço e essencialmente vibram. A imagem a seguir é uma representação de como as moléculas de metal se movem quando aquecidas.

Eu acho que é possível que esse movimento energético possa, por si só, criar o mesmo efeito que a onda de choque causada por uma batida forte. Isso e uma mudança desigual no tamanho do parafuso e da porca podem quebrar o atrito estático e / ou quebrar a ferrugem quebradiça. Sei que se você tiver uma frigideira de ferro fundido enferrujada, uma solução é colocá-la em fogo quente e a ferrugem simplesmente cairá.

Como o calor não viaja instantaneamente, a porca se expandirá mais do que o parafuso ... se você acertar as coisas ... o que não é trivial. Para um rolamento em vez de uma porca / parafuso, esse aquecimento por [indução] é um método de remoção da indústria, como mostrado neste vídeo, por exemplo, e ainda mais para fixação. A ação de remoção é instantânea neste caso, quando o anel do rolamento estiver aquecido o suficiente. O problema com uma porca / parafuso é que muito calor pode ter sido transferido para o parafuso, talvez antes de terminar de remover a porca. Citando um praticante desta arte "você deseja aquecer a porca e não o parafuso".

A questão é ainda agravada pelo fato de não haver um único método para fazer isso. Você pode ver neste outro vídeoque a porca fica muito mais branca que o parafuso, o que significa que fica muito mais quente quando aquecida. O problema é que, no momento em que a porca é removida, nem brilha mais [no último vídeo], então não podemos dizer visualmente a temperatura [diferença]. O ar, no entanto, é um isolador muito melhor, então eu suspeito que o parafuso esfrie mais rápido que a porca, porque faz contato com mais metal, que atua como um radiador. Um vídeo com uma câmera térmica seria uma prova definitiva, mas não consegui encontrar um. A descrição desse último vídeo também diz que as ligações corrosivas são afrouxadas pelo aquecimento, o que também pode ser verdadeiro, mas eu não verifiquei a ciência nesse pedaço; essa alegação também pressupõe que esses títulos não sejam restaurados imediatamente pelo resfriamento.

E para o cenário descrito na própria resposta do interlocutor: na prática não funciona assim. Se você assistir a segunda metade deste vídeo de meia hora , o cara está esquentando cuidadosamente o quadro em torno do parafuso e leva muito tempo, paciência e cuidado para ter sucesso quando a "porca" é uma peça grande.

Eu tenho uma resposta simples: ninguém disse que a cabeça do parafuso se expande da superfície, afrouxando a tensão dos fios, soltando-o o suficiente para desligar. Às vezes, os parafusos estão muito apertados, mesmo quando não estão enferrujados.

Acredito que se a ferrugem ou os sedimentos forem um fator para impedir o afrouxamento, o calor elevado fará com que os detritos se soltem com o calor e se soltem, permitindo que o parafuso ou parte em questão gire com facilidade.

Coloque um centavo no batente da porta e feche-o. A porta será quase impossível de abrir, porque o atrito a manterá no lugar. A flexão do resto da porta impedirá que ela se mova. Um parafuso enferrujado é essencialmente o mesmo princípio - muitas pequenas ligações formadas nas roscas dos parafusos pelo metal oxidado impedem que ele rode.

O calor e a expansão do metal simplesmente serviram para romper esses laços. Não tem nada a ver com termodinâmica ou qualquer outro absurdo científico. É a ação mecânica simples do metal em expansão que quebra a ferrugem.