为什么铁路“热坏了”而桥“冻短了”

 在火车刚问世的时候，人们铺设的钢轨是一根连接一根的。工人们冒着严寒铺上钢轨，铁路通车，但到炎热的夏天来临又不得不停运了—— 平整的铁路变得七扭八歪，钢轨“热坏了”。这是为什么呢？原来，这是热胀冷缩作用的结果。一般的物体都会遇热膨胀，遇冷收缩。钢轨的温度从 0℃升高到 1℃，它的长度就会增加原长的 0.000011 倍。在炎热的夏天，烈日照到钢轨上，温度可达 30℃－40℃，让人摸起来烫手；而在严寒的冬天，钢轨又会冷到－15℃，甚至达到－30℃。打个比方：就算夏天和冬天温度只差 50℃吧，北京到太原的铁路长 514 公里，冬夏之间就要差上大约 280 米！所以，在铁路路面的钢轨铺设都不是密接的，每根钢轨之间都留有一定的间隙。各种物质热胀冷缩的本领各不相同，比如沿着京太铁路架一条铝制电线，在 0℃时它的长度也是 514 公里，当冬夏温差 50℃时，电线的长度竞会差上 616.8 米，原因是因为铝线遇热以后，温度由 0℃升高 1℃， 长度就会增长到原来的 0.000024 倍，比钢的热胀冷缩本领还要大。电线多数是用铜和铝做的，在架电线时要特别注意热胀冷缩问题，如在夏天架电线，绝不能绷紧，一定要留有余地。平时吊铁丝，也应当注意到这一点。与此相反，在 1927 年 12 月，法国遭到连续几天的严寒袭击，巴黎市中心的塞纳河桥也不例外。它遭到严重的破坏。因桥的铁架受冷收缩， 桥面上的砖突然碎裂。桥上交通只得暂时中断，桥居然被冻短了！不懂行的人也许会说，把铁桥固定住，不让它热胀冷缩就行了。事实并不这么简单，热胀冷缩产生的力是惊人的。拿一根外径 216 毫米、壁厚 8 毫米、长 100 毫米的钢管来说，我们把它的两端牢牢固定，从 0℃加热到100℃，钢管向外的推力竟能高达 127 吨！反过来，把这个钢管从 100℃ 的高温降到 0℃时，也会同样产生那么大的拉力。所以在建筑物里埋下这种钢管，恐怕过不了几个月，就会千疮百孔了。为了避免因热胀冷缩影响建筑物的结构，各种热气管和热液管都要在管道中安装伸缩管，当导管热胀冷缩时，只改变伸缩管的弯曲程度，不去影响其他部分。巴黎大铁桥遇冷缩短了，它上边的砖也同样遇冷收缩，为什么会把砖压坏呢？这主要是由于桥和砖冷的程度不同而造成的。温度升高时，固体的线度增长叫固体的线膨胀。温度上升 1℃固体线度的增加跟 0℃时线度的比叫做线胀系数。不同物质的线胀系数是不同的。铁的线胀系数是 0.000012，钢的线胀系数是 0.000011，而水泥的线胀系数是 0.000014，各种材料各行其事。这样，有时会互相挤压，有时会互相远离，于是就发生了巴黎铁桥之类的事故。