Si el metal se expande cuando se calienta, ¿cómo se afloja un perno al calentarlo?

La respuesta es sorprendentemente simple: el perno se expande, pero la tuerca se expande más .

Lo que está sucediendo aquí es una buena y antigua expansión térmica:

• El perno se calienta y se expande hacia afuera, aumentando su radio
• La nuez se calienta y... se expande hacia el exterior, aumentando su radio

Ahora bien, como el radio de la tuerca es ligeramente mayor que el del perno, y como el aumento es proporcional a la longitud restante, la tuerca se expande un poco más.

El hierro tiene un coeficiente térmico en el estadio de béisbol 10 ^-5 / K. Significa que por cada aumento de 1 K en la temperatura, tienes un aumento de tamaño de 10 ^-5 : una barra de 1 m se convierte en 1,00001 m de largo.

Si su perno tiene r = 1,5 mm y la tuerca tiene R = 1,501 mm, ¿qué sucede si la temperatura aumenta 500 K? Bien:

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

Como puede ver, antes de calentar R - r = 1 μm, mientras que después de R - r ≈ 1.001 μm. ¡Aumentó!

Tenga en cuenta que mis números son bastante salvajes y se usan solo para hacer un ejemplo. Estoy seguro de que me equivoqué en los valores iniciales, pero espero que ayuden a transmitir el mensaje de todos modos.

El secreto es la expansión restringida .

Aquí hay algunos diagramas crudos para ayudar a explicar cómo funciona.

^{Perno atascado en un agujero}

Cuando el perno se calienta, se expande. Dado que el eje del perno está restringido, no puede expandirse dentro del orificio.

^{El perno se expande en la dirección de la flecha verde, pero no puede expandirse en la dirección de las flechas rojas.}

A medida que el perno se enfría, se contrae. La contracción, sin embargo, no está restringida. Esto significa que el perno puede encogerse en todas las direcciones, lo que lo hace un poco más pequeño.

^{El cerrojo es capaz de contraerse en todas las direcciones.}

Una vez que el perno se haya enfriado, debería ser más pequeño y más fácil de extraer.

La razón real por la que esto suele funcionar es que el óxido es significativamente más grande que el acero del que está oxidado, razón por la cual el perno está atascado en primer lugar. En algunos otros casos, la razón por la que funciona el calor es que el perno se aplicó con un fijador de roscas que requiere calentamiento para quitarlo (si sale sin signos de óxido, es una muy buena apuesta)

Muchas formas de óxido contienen "agua unida químicamente" y perderán esa agua (y se encogerán) cuando se calientan lo suficiente.

El metal dispuesto en un anillo se expande hacia afuera cuando se calienta. Imagine un anillo de alambre delgado que se calienta: se expande principalmente a lo largo de su longitud, lo que hace que los diámetros interno y externo sean más grandes. Lo mismo ocurre con el material alrededor de un agujero de perno.

Generalmente, trato de calentar la pieza circundante y no el perno en sí. Sin embargo, incluso si el perno se calienta directamente, la conducción generalmente dará como resultado el calentamiento del material circundante y, por lo tanto, la expansión del orificio.

Más información científica sobre eso

Considere una arandela o algún otro anillo o disco de metal con un agujero. Cuando el anillo se calienta, esperamos que se expanda y los experimentos confirman que sí se expande. Pero, ¿el agujero en el anillo se expande, se contrae o permanece del mismo tamaño?

...[P]ienses en lo que haces cuando estás tratando de abrir un tarro Mason, y la tapa de metal con rosca está atascada. O golpea la tapa con una cuchara (para tratar de soltar cualquier parte de la tapa que esté atascada), o coloca la tapa bajo agua caliente. Haces esto último porque sabes que la tapa de metal se expandirá más que el frasco de vidrio, por lo que será más fácil quitar la tapa.

Y al decir que la tapa de metal se expandirá más que el frasco de vidrio, lo que realmente queremos decir es que el orificio de la tapa se expandirá.

En mi experiencia, hay que calentar un perno congelado hasta que esté ampollado, al rojo vivo y blando, y retirarlo mientras está caliente y blando. Calentar el perno y dejar que se enfríe nunca me ha ayudado. A medida que el metal se contrae, el cerrojo se agarrota; por lo general no se afloja... probablemente empeore la situación.

Lo mismo ocurre con los vasos de bebida que se han pegado... frío, la contracción es la causa del agarrotamiento .

@Vladimir Cravero (lo siento, no tengo suficientes representantes para escribir un comentario)...

Creo que se necesita una aclaración de la respuesta. La tuerca no se expande "más", termina siendo más grande pero el % de aumento es el mismo.

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%

Mi percepción del efecto del calentamiento es que no solo se expanden el perno y la tuerca o el bloque, sino que también se expande el espacio entre ellos, no lo olviden.

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

espacio ligeramente más grande entre también, más fácil de quitar. :)

Creo que hay múltiples factores que contribuyen a este efecto, pero creo que uno no se ha mencionado. Otra forma de hacer que se suelte un perno atascado es golpearlo bruscamente. En general, esto es algo que haces algo grande como una válvula, pero creo que el problema subyacente es el mismo. Para el óxido, esperaría que esto pueda romper la estructura frágil del óxido. Otro factor es que hay dos tipos de fricción. Hay fricción estática y fricción cinética. Considere una caja de cartón pesada (llena) en el piso. Si intenta deslizarlo, inicialmente estará 'atascado'. Una vez que la caja comienza a moverse, se desliza mucho más fácilmente. Esta es la misma razón por la que es malo trabar los frenos de un automóvil. Una vez que la goma comienza a deslizarse, la fricción se reduce significativamente.

La temperatura es la medida de la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia. Es decir, las moléculas se mueven en cualquier sustancia más caliente que el cero absoluto y cuanto más rápido se mueven, mayor es la temperatura. Cuando calientas algo, estás agregando energía cinética al sistema. Esto literalmente hace que las moléculas del perno se muevan cada vez más rápido. En un sólido, las moléculas no se mueven libremente en el espacio y esencialmente vibran. La siguiente imagen es una representación de cómo se mueven las moléculas de metal cuando se calientan.

Creo que es posible que este movimiento energético pueda, por sí mismo, crear el mismo efecto que la onda de choque causada por un fuerte golpe. Eso y un cambio desigual en el tamaño del perno y la tuerca podrían romper la fricción estática y/o romper el óxido quebradizo. Sé que si tienes una sartén de hierro fundido oxidada, una solución es ponerla en un fuego caliente y el óxido simplemente se caerá.

Debido a que el calor no viaja instantáneamente, la tuerca se expandirá más que el perno... si cronometras las cosas bien... lo cual no es trivial. Para un cojinete en lugar de una tuerca/tornillo, este calentamiento [por inducción] es un método industrial de extracción, como se muestra en este video , por ejemplo, y aún más para la fijación. La acción de extracción es instantánea en este caso, una vez que el anillo del rodamiento se calienta lo suficiente. El problema con una tuerca/perno es que se puede haber transferido mucho calor al perno, tal vez antes de que termine de quitar la tuerca. Citando a un practicante de este arte "quieres calentar la tuerca y no el perno".

El problema se complica aún más por el hecho de que no existe un único método para hacerlo. Puedes ver en este otro videoque la tuerca se vuelve mucho más blanca que el perno, lo que significa que se calienta mucho más cuando se calienta. El problema es que cuando se quita la tuerca, ninguno brilla más [en ese último video], por lo que no podemos ver su temperatura [diferencia]. Sin embargo, el aire es un aislante mucho mejor, por lo que sospecho que el perno se enfría más rápido que la tuerca porque hace contacto con más metal, que actúa como radiador. Un video con una cámara térmica sería una prueba definitiva, pero no pude encontrar ninguna. La descripción de ese último video también dice que los enlaces corrosivos se aflojan con el calentamiento, lo que también puede ser cierto, pero no he verificado la ciencia en esta parte; esta afirmación también asume que esos enlaces no se restauran inmediatamente por enfriamiento.

Y para el escenario representado en la propia respuesta del interrogador: no funciona así en la práctica. Si ve la segunda mitad de este video de media hora , el tipo está calentando cuidadosamente el marco alrededor del perno, y se necesita mucho tiempo, paciencia y cuidado para tener éxito cuando la "tuerca" es una pieza grande.

Tengo una respuesta simple de que nadie ha dicho que la cabeza del perno se expande fuera de la superficie, lo que afloja la tensión de las roscas y, por lo tanto, se afloja lo suficiente como para apagarse. A veces, los pernos están demasiado apretados incluso cuando no están oxidados.

Creo que si el óxido o los sedimentos son un factor para evitar que se aflojen, el alto calor hará que los escombros se suelten con el calor y se suelten, lo que permitirá que el perno o la pieza en cuestión gire con facilidad.

Ponga un centavo en la jamba de una puerta y ciérrela. La puerta será casi imposible de abrir, porque la fricción la mantendrá en su lugar. La flexión del resto de la puerta evitará que se mueva. Un perno oxidado es esencialmente el mismo principio: muchos pequeños enlaces formados en las roscas de los pernos por el metal oxidado evitan que gire.

El calor y la expansión del metal simplemente sirvieron para romper esos lazos. No tiene nada que ver con la termodinámica o cualquier otra tontería científica. Es la simple acción mecánica del metal en expansión rompiendo el óxido.