Si el metal se expande cuando se calienta, ¿cómo se afloja el calentamiento de un perno?

64

Si tiene problemas para extraer un perno atascado, un consejo común es calentar el perno. Pero si el metal se expande cuando se calienta, ¿acaso calentar el perno simplemente dificultaría la extracción? ¿Cómo se desatasca el calentamiento del perno?

Probador101
fuente
2
Depende ¿Está incautado (de óxido) o demasiado apretado? Su respuesta es demasiado apretada; incautado es de Ecnerwal.
Mazura
@Mazura mi pensamiento original estaba demasiado apretado, pero originalmente no lo especifiqué, así que es un poco tarde para agregarlo ahora.
Tester101
55
Si está hablando de una tuerca en un tornillo, calentar la tuerca más que el tornillo hará que la tuerca se agrande en relación con el tornillo. Esta acción es simple y directa: simplemente debe tener cuidado de concentrar el calor en la tuerca, no en el perno. Para otros escenarios, debe pensar un poco sobre la situación y concentrar el calor en la parte que desea expandir. A veces, el uso de enfriamiento de algún tipo en una parte ayuda.
Hot Licks
1
Bueno, si lo calientas lo suficiente como para derretir ...
nnnnnn
1
El consejo común (sentido) es calentar la tuerca, no el perno. Si realmente cree que lo que propone aquí y en su respuesta realmente funciona, publique un video con pares medidos.
Fizz

Respuestas:

73

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

Lo que está sucediendo aquí es una buena expansión térmica:

  • El perno se calienta y se expande hacia afuera, aumentando su radio
  • La tuerca se calienta y ... se expande hacia afuera, aumentando su radio

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

El hierro tiene un coeficiente térmico en el estadio 10-5 / K. Significa que por cada aumento de 1 K en la temperatura, tiene un aumento en el 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 de 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. Se incrementó!

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

Vladimir Cravero
fuente
Si hubiera un espacio de 0.001 mm entre el perno y la tuerca, la tuerca estaría floja de todos modos, por lo que no necesitaría calor para aflojarla.
alephzero
¿Es esto cierto cuando no hay nuez involucrada? Por ejemplo, si el tornillo se enrosca en una pieza sólida de stock, como se muestra en mi respuesta?
Tester101
44
@alephzero bueno, hay un descargo de responsabilidad sobre mí y los números: P Tester101, esto también es válido para una pieza sólida. A medida que el metal se expande, los agujeros también se expanden.
Vladimir Cravero
1
@alephzero: no si está oxidado. Ver la respuesta de Ecnerwal.
Mazura
Esto tiene sentido para mí con una tuerca y un tornillo, ya que ambos se calientan a aproximadamente la misma temperatura. Sin embargo, si el perno estuviera en un gran trozo de material, pensaría que sería difícil lograr que el orificio tenga la misma temperatura que el perno.
Tester101
33

El secreto es la expansión restringida .

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

Perno atrapado en un agujero
Perno atrapado en un agujero

Cuando el perno se calienta, se expande. Como el eje del perno está limitado, no puede expandirse dentro del agujero.

Perno de expansión
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 tornillo se enfría, se contrae. La contracción, sin embargo, no está limitada. Esto significa que el perno puede encogerse en todas las direcciones, haciendo que el perno sea un poco más pequeño.

Perno de contratación
El perno puede contraerse en todas las direcciones.

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

Probador101
fuente
44
@ JPhi1618 Si hay una nuez involucrada, expandirla con calor podría ayudar. Aunque no conozco a muchas personas a las que les guste jugar con locos.
Tester101
44
Además, es probable que el perno se enfríe más rápido que la masa más grande que lo rodea, lo que mejora el fenómeno.
Isherwood
20
-1 esta respuesta es absurda, ¿estás afirmando que el tornillo se encoge de nuevo a más pequeño de lo que era a la misma temperatura? Si eso fuera cierto, sería posible hacer metal de cualquier densidad calentándolo / enfriándolo en agujeros cada vez más pequeños. La respuesta real es probablemente "la expansión del agujero (debido a la conducción de calor) , más la expansión desigual rompiendo cualquier
unión
66
@ BlueRaja-DannyPflughoeft no exactamente. El diámetro de la porción roscada del perno (la porción restringida) será muy ligeramente menor, mientras que la longitud del perno será muy ligeramente más larga. No estamos hablando de un gran cambio aquí, estamos hablando de milésimas de pulgada.
Tester101
55
@ BlueRaja-DannyPflughoeft La respuesta tiene sentido para mí: esencialmente, el perno se "forma en frío" [aunque en realidad no es tan frío per se] en el agujero relativamente más pequeño (ya que no se ha expandido tanto).
Random832
27

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

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

Ecnerwal
fuente
55
Otro factor a lo largo de estas líneas es que los metales pueden soldar en frío (acero a aluminio, por ejemplo). La expansión térmica diferencial puede romper esta unión.
Chris H
1
El calor es el mejor agente de liberación de la naturaleza.
Mazura
1
sin discutir, pero estoy interesado en aprender más. ¿Hay alguna fuente que diga esto?
DrewJordan
@DrewJordan - No es que pueda encontrarlo; la mecánica no es realmente el tipo de "literatura". Solo saben que funciona. En mi opinión, es 95% "agente de liberación" y 5% "expansión restringida".
Mazura
2
@DrewJordan Explicado por un herrero / armero. Mucha información sobre el agua ligada, el calentamiento para liberar el agua ligada (la información de cerámica tiene mucha), y un montón de información sobre cómo hacer algún tipo de nanopartículas (ohh, de moda, también irrelevante), no mucho que entra en el cambio de volumen resultante de eliminar el agua ligada (lotes que mencionan el cambio de volumen de hierro / acero a óxido)
Ecnerwal
12

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

En general, trato de calentar la pieza circundante y no el tornillo 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 el anillo se expanda, y los experimentos confirman que sí se expande. ¿Pero el agujero en el anillo se expande, contrae o permanece del mismo tamaño?

... [T] piense en lo que hace cuando intenta abrir un tarro Mason y la tapa de metal con tapa de rosca está atascada. Tocas la tapa con una cuchara (para tratar de soltar cualquier parte de la tapa que esté atascada) o colocas 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 agujero en la tapa se expandirá.

Isherwood
fuente
1
Esto es exactamente lo que dice mi recurso mecánico en línea; calentar la parte circundante, no el perno. Gire mientras está caliente. Sin embargo, creo que su conjetura acerca de simplemente calentar el perno y confiar en la conducción es engañosa porque es exactamente lo contrario de cuál es su punto principal.
Zach Mierzejewski
2
No, es una alternativa que a veces es la única opción y que aún puede funcionar. No seamos demasiado pedantes, ¿de acuerdo? Después de todo, el objetivo es sacar el cerrojo. :)
isherwood
"o colocas la tapa bajo agua caliente". ¿No hago eso porque los contenidos estaban calientes cuando se sellaron, y ahora a temperatura ambiente se almacenan a una presión inferior a la atmosférica que proporciona una fuerza que actúa para retener la tapa? ¿Y calentar el contenido (o al menos el aire sobre ellos) revierte ese proceso?
Doug McClean
Estamos hablando de fricción entre los hilos de la tapa y los hilos del frasco. La ligera presión dentro o fuera tiene relativamente poco efecto sobre la rotación de la tapa.
isherwood
2

En mi experiencia, tienes que calentar un rayo congelado hasta que esté ampollado, al rojo vivo y ablandado, y retirarlo mientras esté caliente y suave. Calentar el perno y dejar que se enfríe nunca me ha ayudado. Cuando el metal se contrae, el cerrojo se aferra; por lo general no se afloja ... probablemente empeora la situación.

Lo mismo es cierto para los vasos que se han quedado pegados ... el frío, la contracción es la causa de la incautación .

Ben Welborn
fuente
44
No lo dejo enfriar, pero al rojo vivo está demasiado lejos; corre el riesgo de esquilar el perno. Entonces qué ... taladros y grifos.
Mazura
1
@mazura cuando el tornillo está caliente, se va a dibujar y deslizar como el queso caliente. el esquileo es un problema para el queso frío. El queso se desmorona y se rompe cuando hace frío, no tanto cuando hace calor. Pero sí, aún podría suceder ... si se corta, puede tranquilizarse al saber que habría sucedido de cualquier manera, y menos probable cuando es suave y elástico.
Ben Welborn
1
Esta es totalmente la respuesta correcta, que apesta porque está en la parte inferior con 0 votos, y todas las otras respuestas sobre una diferencia en la expansión son simplemente basura. Cualquiera que sea el material de su perno / tuerca, y cualquier cosa que caliente más, la expansión del material en el que se atornilla el perno se expandirá hacia la cavidad, no expandirá el tamaño de la cavidad. El argumento de calentamiento / enfriamiento podría tener sentido, pero realmente dudo que los efectos sean significativos. Además, no es lo que hace la gente. No, la razón es porque el metal caliente tiene mucha menos tensión de resorte en la rosca, que es lo que realmente está sosteniendo el perno.
JJ
1
@JJ sí, piensan que son científicos. Soy un verdadero científico, y he trabajado en la fragua, y bajo más vehículos de los que puedo contar. Pero como sea, la verdad no siempre es popular.
Ben Welborn,
2

@Vladimir Cravero (lo siento, no hay suficiente representante para ingresar un comentario) ...

Creo que se necesita aclarar la respuesta. La tuerca no se expande "más", termina 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 se olviden de eso.

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

espacio un poco más grande entre ellos también, más fácil de quitar. :)

spritle
fuente
Sin embargo, se está expandiendo "por más".
viernes
2
En mi opinión, esta es la única respuesta correcta aquí. El perno aumenta, la tuerca aumenta y el espacio entre ellos aumenta. Y en estas palabras exactas, así es como me enseñó el principio mi maestro de Física.
Douglas celebrada
1

Creo que hay múltiples factores que contribuyen a este efecto, pero creo que uno no ha sido mencionado. Otra forma de hacer que se suelte un perno atascado es golpearlo golpeándolo fuertemente. En general, esto es algo que hace algo grande como una válvula, pero creo que el problema subyacente es el mismo. Para el óxido, esperaría que esto pueda destruir la frágil estructura 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 bloquear los frenos de un automóvil. Una vez que el caucho 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 será la temperatura. Cuando calientas algo, estás agregando energía cinética al sistema. Esto literalmente está causando 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 metálicas cuando se calientan.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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

JimmyJames
fuente
0

Debido a que el calor no viaja instantáneamente, la tuerca se expandirá más que el perno ... si sincroniza bien las cosas ... lo cual no es trivial. Para un rodamiento en lugar de una tuerca / perno, este calentamiento [de 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 de rodamiento se calienta lo suficiente. El problema con una tuerca / perno es que puede haberse transferido mucho calor al perno, tal vez antes de que haya terminado de quitar la tuerca. Citando de 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 hay un solo método para hacerlo. Puedes ver en este otro videoque la tuerca se pone mucho más blanca que el perno, lo que significa que se calienta mucho más cuando se calienta. El problema es que para cuando se quita la tuerca, ya no está brillando [en ese último video], por lo que no podemos ver visualmente su [diferencia] de temperatura. 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 un radiador. Un video con una cámara térmica sería una prueba definitiva, pero no pude encontrar una. La descripción de ese último video también dice que los enlaces corrosivos se aflojan por calentamiento, lo cual también puede ser cierto, pero no he comprobado la ciencia en este bit; Esta afirmación también supone que esos enlaces no se restauran de inmediato por enfriamiento.

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

Efervescencia
fuente
0

Tengo una respuesta simple de que nadie ha dicho que la cabeza del perno se expande fuera de la superficie, aflojando la tensión de los hilos y haciendo que se suelte lo suficiente como para apagarse. A veces los tornillos están demasiado apretados incluso cuando no están oxidados.

John Alexander
fuente
-1

Creo que si el óxido o el sedimento es un factor para evitar el aflojamiento, el calor elevado hará que los desechos se suelten con el calor y se suelten, permitiendo que el perno o la pieza en cuestión giren con facilidad.

Giulienne Longo
fuente
-2

Pon un centavo en la jamba de una puerta y ciérrala. 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: muchas uniones pequeñas formadas en las roscas de los pernos por metal oxidado evitan que gire.

El calor y la expansión del metal simplemente sirvieron para romper esos enlaces. 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.

Daniel
fuente
2
Entonces, ¿cómo rompe el calor esos lazos sin ninguna "tontería científica"? ¿Magia?
JimmyJames
1
¿Cómo es la fricción menos "científica" que la expansión térmica? ¿Eres consciente de que la fricción y la presión están directamente relacionadas? Tu propio ejemplo demuestra esto. ¿Quién dijo algo sobre el óxido de todos modos?
isherwood