Bolzensprenger

Zweck und Funktionsweise

Der Bolzensprenger, auch Kontraktionsapparat genannt, ist eine Vorrichtung, mit der die Wärmeausdehnung von Metallen und die dabei auftretenden Kräfte demonstriert werden. Er wird meist im Physikunterricht als Demonstrationsexperiment eingesetzt.

Eine massive Zugstange wird erhitzt und dadurch verlängert. Währenddessen wird eine Mutter nachgezogen oder ein Keil nachgeschoben, sodass die Längenänderung ausgeglichen wird und ein Gusseisenbolzen fest eingespannt bleibt. Beim anschließenden Abkühlen zieht sich die Zugstange wieder zusammen. Dadurch entstehen sehr hohe Zugkräfte, die den Bolzen mit einem lauten Knall brechen oder zumindest verbiegen können.

Aufbau

Der Bolzensprenger besteht im Wesentlichen aus einer Halterung, einer massiven Zugstange aus Schmiedeeisen, einem auswechselbaren Bolzen aus Gusseisen und einer Spannmutter. Die Zugstange ist zwischen Bolzen und Mutter eingespannt.

Im schematischen Aufbau sind die Teile mit folgenden Buchstaben bezeichnet: (a) Spannmutter, (b) Zugstange, (c) Bolzen aus Gusseisen, (d) Halterung und (e) Wärmequelle. Beim dargestellten Bolzensprengversuch kann anstelle der Mutter ein Keil zum Nachspannen verwendet werden. Der zu sprengende Bolzen befindet sich als zylindrischer Stab an der rechten Seite des U-förmigen Halterahmens.

Versuchsdurchführung

1. Ein Bolzen aus Gusseisen wird eingespannt (Phase 1).

2. Die Zugstange wird mit einem Gasbrenner bis zur Rotglut erhitzt (Phase 2). Während des Erhitzens wird die Mutter nachgezogen beziehungsweise der Keil nachgeschoben, um die Längenausdehnung der Zugstange auszugleichen. In diesem Schritt werden die Ausdehnung des blauen Stabs und das Nachspannen der grünen Mutter auf der linken Seite zusammengefasst.

3. Die Zugstange kühlt wieder ab (Phase 3). Dabei zieht sie sich zusammen, entwickelt hohe Zugkräfte und bricht den eingespannten Gusseisenbolzen oder verbiegt ihn.

Physikalische Grundlagen und Berechnung

Durch die Erwärmung wird die Zugstange länger. Der Ausdehnungskoeffizient von Stahl beträgt etwa α = 12 · 10⁻⁶ K⁻¹. Wird eine Zugstange der Länge l = 0,1 m von Raumtemperatur um ΔT = 700 K auf rund 700 °C erwärmt, verlängert sie sich um

α · ΔT · l = 0,8 mm.

Diese Längenänderung wird durch das Nachspannen mit der Spannmutter oder dem Keil ausgeglichen. Beim Abkühlen zieht sich der Zugstab um dieselbe Länge zusammen, wobei eine sehr hohe Kraft auf den Bolzen wirkt.

Die maximale Kraft berechnet sich mit dem Elastizitätsmodul E, der Querschnittsfläche q und dem Ausdehnungskoeffizienten α des Zugstabes nach der Formel:

F = E · q · α · ΔT.

Für q = 15 mm · 3 mm = 45 · 10⁻⁶ m² und E = 120 · 10⁹ N/m² ergibt sich im Beispiel eine maximale Zugkraft von F = 45 360 N. Das entspricht der Gewichtskraft eines 4,6 Tonnen schweren Kleinlasters. Der Versuch veranschaulicht damit die sehr großen Kräfte zwischen den Atomen eines Festkörpers, die ihn zusammenhalten.