تمدد الأربطة المطاطية عند تبريدها

تمدد الأربطة المطاطية عند تبريدها 

تمدد الأربطة المطاطية عند تبريدها 

الأربطة المطاطية

يتم تعريف الأربطة المطاطية على أنها حلقات من المطاط والتي تُستخدم بغرض ضم الأشياء إلى بعضها البعض. يعود تاريخ اختراع الأربطة المطاطية إلى السابع عشر من مارس لعام 1845م على يد المخترع ستيفن بيري في دولة إنجلترا. في غالب الأحيان يتم انتاج الاربطة المطاطية عن طريق استخدام المطاط الطبيعي، بينما في أحيان أخرى يتم الاعتماد على البوليمر المرن في صناعة الأربطة المطاطية وذلك عند الحاجة إلى أحجام كبيرة منها. وقد لوحظ أن الأربطة المطاطية تتمدد بالبرودة وذلك عكس ما يحدث تماماً لغالبية المواد الصلبة والتي تتمدد بالحرارة دائماً. وفي هذا المقال سوف نتطرق إلى توضيح تلك الظاهرة وذلك بعد مناقشة معامل التمدد الحراري أولاً.

معامل التمدد الحراري

يمكن القول أن معامل التمدد الحراري عبارة عن العلاقة التي تربط بين تغير درجة حرارة المواد والتباعد بين ذرات تلك المواد. هذه العلاقة تفسر التغير الواضح في طول الروابط الجزيئية أثناء تغير الطاقة المختزنة بداخل تلك الروابط، وبالتالي فإن زيادة طول الرابطة الجزيئية يكون مقترناً بزيادة تلك الطاقة بين الروابط. تختلف معاملات التمدد الحراري عن بعضها وفقاً لعمليات قياس التمدد والذي قد يكون عبارة عن تمدد طولي أو مساحي أو حجمي.

يتم استخدام مقياس معامل التمدد الحراري الحجمي مع جميع حالات المادة سواء كانت سائلة أو غازية أو صلبة، بينما يكثر استخدام مقياس معامل التمدد الطولي مع الحالة الصلبة للمادة وهو المعامل الأكثر استخداماً في التطبيقات الهندسية المختلفة. وقد يحمل معامل التمدد الحراري قيمة سالبة في بعض الأحيان وذلك عندما تتمدد المادة عند تبريدها على عكس الطبيعي، مثل تمدد الأربطة المطاطية بالتبريد. ويتم التعبير عن معامل التمدد الحراري رياضياً من خلال علاقة تجمع بين التغير في الطول مقسوماً على التغير في درجة الحرارة وضرب الناتج في مقلوب الطول الأصلي للجسم قبل تعرضه للتغير الحراري.

تتمدد الأربطة المطاطية عند تبريدها

يتم تصنيع الأربطة المطاطية غالباً من سلاسل طويلة من البوليمرات الصناعية والتي تحتوي على وصلات طويلة. يأخذ المطاط خصائصه عن طريق الاستعانة بقدرة تلك البوليمرات على الالتواء. في حالة تبريد المطاط يفقد هذه القدرة الملتوية وتترتب سلاسل البوليمرات في شكل خط مستقيم وبالتالي يزداد طولها وتتمدد. يتميز البوليمر بأن الانتروبي (خاصية حرارية) الخاصة به صغيرة إلى حد ما؛ فعند زيادة درجة حرارة الأربطة المطاطية تزداد حركة جزيئات البوليمر بطريقة عشوائية وغير مُرتبة وبالتالي يؤدي اهتزاز وصلات البوليمر بتلك الطريقة إلى قلة متوسطة طول الأربطة المطاطية، وهذا الأمر يفسر انكماش الأربطة المطاطية بالحرارة.

تطبيق على تمدد الأربطة المطاطية بالتبريد

إن التركيب الداخلي للأربطة المطاطية والذي يكون عبارة عن سلاسل من البوليمرات، جعلها محط اهتمام Ben Kirsanow الذي فكر بجدية في توظيف الأربطة المطاطية لبناء ثلاجة. وقد قام Ben في بادئ الأمر ببناء عجلة باستخدام الأربطة المطاطية وعمد إلى وضعها بالقرب من جهاز التسخين حيث وجد أنها تتحرك بمجرد وضعها بجانبه.

 وبناء على ذلك فكر في عمل ثلاجة تعمل بنفس الطريقة ولكن بالعكس، بحيث يعتمد على العجلة في تمديد الأربطة المطاطية خارج الثلاجة عن طريق تبريدها، وعند إعادتها داخل الثلاجة يتم إعادة الأربطة المطاطية إلى شكلها الطبيعي وبالتالي يتم نقل الحرارة وتبريد الهواء بالداخل. لقد قام Ben بهذه التجربة يدوياً، وعلى الرغم من عد تطبيقها في الصناعة بشكل فعلي؛ إلاَّ أنها ستظل أحد التطبيقات الناجحة التي تفسر ظاهرة تمدد الأربطة المطاطية عند تبريدها.