Wenn sich Metall beim Erhitzen ausdehnt, wie löst es sich, wenn ein Bolzen erhitzt wird?

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Wenn Sie Probleme haben, einen festsitzenden Bolzen zu entfernen, sollten Sie den Bolzen aufheizen. Aber wenn sich das Metall beim Erhitzen ausdehnt, würde es dann nicht schwieriger sein, den Bolzen zu entfernen, wenn er erwärmt wird? Wie wird der Bolzen durch Erhitzen gelöst?

Tester101
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Hängt davon ab. Ist es festgefressen (von Rost) oder zu fest angezogen? Überzogen ist Ihre Antwort; beschlagnahmt wird Ecnerwal's.
Mazura
@Mazura Mein ursprünglicher Gedanke war überstrapaziert, aber ich habe das ursprünglich nicht angegeben, daher ist es etwas spät, es jetzt hinzuzufügen.
Tester101
5
Wenn Sie von einer Mutter auf einer Schraube sprechen und die Mutter stärker als die Schraube erwärmen , vergrößert sich die Mutter relativ zur Schraube. Diese Aktion ist einfach und unkompliziert - Sie sollten nur darauf achten, die Wärme auf die Mutter und nicht auf die Schraube zu konzentrieren. In anderen Szenarien müssen Sie ein wenig über die Situation nachdenken und die Wärme auf den Teil konzentrieren, den Sie erweitern möchten. Manchmal hilft es, eine Art Kühlung an einem Teil zu verwenden.
Hot Licks
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Nun, wenn Sie es genug erhitzen, dass es schmilzt ...
nnnnnn
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Der (vernünftige) Rat ist, die Mutter und nicht die Schraube zu erhitzen. Wenn du wirklich denkst, was du hier vorschlägst und in deiner Antwort tatsächlich funktioniert, poste ein Video davon mit gemessenen Drehmomenten.
Fizz

Antworten:

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Die Antwort ist überraschend einfach: Der Bolzen dehnt sich aus, aber die Mutter dehnt sich stärker aus .

Was hier passiert, ist eine gute alte Wärmeausdehnung:

  • Der Bolzen erwärmt sich und dehnt sich mit zunehmendem Radius nach außen aus
  • Die Mutter erwärmt sich und ... dehnt sich mit zunehmendem Radius nach außen aus

Da der Radius der Mutter etwas größer als der der Schraube ist und die Vergrößerung proportional zur Ruhelänge ist, dehnt sich die Mutter etwas mehr aus.

Eisen hat einen thermischen Koeffizienten im 10 -5 / K-Ballpark. Das bedeutet, dass Sie mit jeder Temperaturerhöhung von 1 K eine Zunahme von 10 -5 haben : Eine 1 m lange Stange wird 1.00001 m lang.

Wenn Ihre Schraube r = 1,5 mm und die Mutter R = 1,501 mm hat, wird die Temperatur dann um 500 K erhöht? Gut:

  • r = 1.5 * (1 + 500 * 10 -5 ) mm = 1.5075 mm
  • R = 1.501 * (1 + 500 * 10 -5 ) mm = 1,508505 mm

Wie Sie sehen können, ist vor dem Erhitzen R - r = 1 & mgr; m, während nach R - r = 1,001 & mgr; m. Es steigerte sich!

Bitte beachten Sie, dass meine Zahlen ziemlich wild sind und nur als Beispiel dienen. Ich bin mir sicher, dass ich die Anfangswerte falsch angegeben habe, aber ich hoffe, sie helfen trotzdem, die Botschaft zu vermitteln.

Vladimir Cravero
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Wenn sich zwischen der Schraube und der Mutter ein Spalt von 0,001 mm befindet, ist die Mutter ohnehin lose, sodass Sie zum Lösen keine Wärme benötigen.
Alephzero
Gilt das auch, wenn es sich nicht um eine Nuss handelt? Zum Beispiel, wenn der Bolzen in ein festes Stück Lager eingeschraubt ist, wie in meiner Antwort dargestellt?
Tester101
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@alephzero Nun, es gibt einen Haftungsausschluss über mich und Zahlen: P Tester101, dies gilt auch für ein solides Stück. Wenn sich das Metall ausdehnt, dehnen sich auch die Löcher darin aus.
Vladimir Cravero
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@alephzero - Nicht, wenn es zugerostet ist. Siehe die Antwort von Ecnerwal.
Mazura
Dies ist für mich mit einer Mutter und einer Schraube sinnvoll, da beide auf ungefähr die gleiche Temperatur erhitzen würden. Wenn sich die Schraube jedoch in einem großen Stück Material befände, würde es meiner Meinung nach schwierig sein, das Loch auf die gleiche Temperatur wie die Schraube zu bringen.
Tester101
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Das Geheimnis ist die eingeschränkte Expansion .

Hier sind einige grobe Diagramme, um zu erklären, wie es funktioniert.

Bolzen steckt in einem Loch
Bolzen steckt in einem Loch

Wenn der Bolzen erhitzt wird, dehnt er sich aus. Da der Schaft des Bolzens eingespannt ist, kann er sich nicht innerhalb des Lochs ausdehnen.

Spreizschraube
Der Bolzen dehnt sich in Richtung des grünen Pfeils aus, kann sich jedoch nicht in Richtung der roten Pfeile ausdehnen.

Wenn sich der Bolzen abkühlt, zieht er sich zusammen. Die Kontraktion ist jedoch nicht eingeschränkt. Dies bedeutet, dass der Bolzen in alle Richtungen schrumpfen kann, wodurch der Bolzen etwas kleiner wird.

Bolt Contracting
Der Bolzen kann sich in alle Richtungen zusammenziehen.

Sobald der Bolzen abgekühlt ist, sollte er kleiner und leichter zu entfernen sein.

Tester101
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@ JPhi1618 Wenn es sich um eine Nuss handelt, kann es hilfreich sein, sie mit Wärme zu erweitern. Obwohl ich nicht viele Leute kenne, die gerne mit heißen Nüssen spielen.
Tester101
4
Außerdem wird der Bolzen wahrscheinlich schneller abkühlen als die größere Masse um ihn herum, was das Phänomen verstärkt.
Isherwood
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-1 diese antwort ist absurd, sie behaupten die schraube schrumpft wieder auf kleiner als bei der gleichen temperatur !? Wäre dies der Fall, wäre es möglich, Metall beliebiger Dichte herzustellen, indem es in immer kleineren Löchern erhitzt / gekühlt wird. Die eigentliche Antwort lautet wahrscheinlich "Erweiterung des Lochs (aufgrund der Wärmeleitung) plus ungleichmäßige Ausdehnung, die alle durch Rost verursachten
Verklebungen aufbricht
6
@ BlueRaja-DannyPflughoeft nicht genau. Der Durchmesser des Gewindeabschnitts des Bolzens (der eingeschränkte Abschnitt) ist sehr geringfügig kleiner, während die Länge des Bolzens sehr geringfügig länger ist. Wir sprechen hier nicht von einer großen Veränderung, sondern von Tausendstel Zoll.
Tester101
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@ BlueRaja-DannyPflughoeft Die Antwort macht für mich Sinn - im Wesentlichen wird der Bolzen "kaltgeformt" [wenn auch nicht wirklich so kalt an sich], um das etwas relativ (da es sich nicht so stark erweitert hat) kleinere Loch.
Random832
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Der eigentliche Grund, warum dies normalerweise funktioniert, ist, dass der Rost erheblich größer ist als der Stahl, aus dem er verrostet ist, weshalb der Bolzen an erster Stelle feststeckt. In einigen anderen Fällen ist der Grund, warum Hitze funktioniert, der Grund, warum die Schraube mit einem Schraubensicherungsmittel angebracht wurde, das zum Entfernen erhitzt werden muss (wenn es ohne Anzeichen von Rost herauskommt, ist das eine ziemlich gute Wette).

Viele Rostarten enthalten "chemisch gebundenes Wasser" und verlieren dieses Wasser (und schrumpfen), wenn sie ausreichend erhitzt werden.

Ecnerwal
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5
Ein weiterer Faktor in diesem Sinne ist, dass Metalle kalt schweißen können (z. B. Stahl auf Aluminium). Eine unterschiedliche Wärmeausdehnung kann diese Verbindung aufbrechen.
Chris H
1
Wärme ist das größte Trennmittel der Natur.
Mazura
1
nicht streiten, aber ich bin daran interessiert, mehr zu lernen. Gibt es eine Quelle, die das sagt?
DrewJordan
@DrewJordan - Nicht, dass ich finden kann; Mechanik ist nicht wirklich der Typ 'Literatur'. Sie wissen einfach, dass es funktioniert. IMO sind es 95% "Trennmittel" und 5% "eingeschränkte Expansion".
Mazura
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@DrewJordan Mir von einem Schmied / Waffenschmied erklärt. Viele Informationen über gebundenes Wasser, Erhitzen, um gebundenes Wasser freizusetzen (Keramikinformationen enthalten viele Informationen) und eine Reihe von Informationen über die Herstellung von Nanopartikeln (ohh, trendy - auch irrelevant) - nicht viel, was in die Volumenänderung resultiert Entfernen des gebundenen Wassers (Partien, in denen die Volumenänderung von Eisen / Stahl zu Rost erwähnt wird)
Ecnerwal
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In einem Ring angeordnetes Metall dehnt sich beim Erhitzen nach außen aus. Stellen Sie sich einen Ring aus dünnem Draht vor, der erhitzt wird - er dehnt sich hauptsächlich entlang seiner Länge aus und vergrößert sowohl den Innen- als auch den Außendurchmesser. Gleiches gilt für das Material um ein Bolzenloch.

Im Allgemeinen versuche ich, das umgebende Stück und nicht den Bolzen selbst zu erhitzen. Selbst wenn der Bolzen direkt erwärmt wird, führt die Leitung normalerweise zu einer Erwärmung des umgebenden Materials und damit zu einer Erweiterung der Bohrung.

Mehr wissenschaftliche Informationen dazu

Stellen Sie sich eine Unterlegscheibe oder einen anderen Metallring oder eine andere Metallscheibe mit einem Loch vor. Wenn der Ring erwärmt wird, erwarten wir, dass sich der Ring ausdehnt, und Experimente bestätigen, dass er sich ausdehnt. Aber dehnt sich das Loch im Ring aus, zieht sich zusammen oder bleibt es gleich groß?

... Machen Sie sich Gedanken darüber, was Sie tun, wenn Sie versuchen, ein Einmachglas zu öffnen, und der Metalldeckel mit Schraubverschluss steckt fest. Sie klopfen entweder mit einem Löffel auf den Deckel (um zu versuchen, einen Teil des Deckels zu lösen, der festsitzt), oder Sie legen den Deckel unter heißes Wasser. Sie tun letzteres, weil Sie wissen, dass sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glas, und es daher einfacher ist, den Deckel abzunehmen.

Und wenn wir sagen, dass sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glas, meinen wir damit, dass sich das Loch im Deckel ausdehnt.

isherwood
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1
Dies ist genau das, was meine Online-Mechaniker-Ressource sagt. Erhitzen Sie den umgebenden Teil, nicht die Schraube. Verdrehen, solange es heiß ist. Ich denke jedoch, dass Ihre Vermutung, nur den Bolzen zu erhitzen und sich auf die Leitung zu verlassen, irreführend ist, weil es genau das Gegenteil von dem ist, worum es bei Ihnen geht.
Zach Mierzejewski
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Nein, es ist eine Alternative, die manchmal die einzige Option ist und trotzdem funktioniert. Lassen Sie uns nicht zu pedantisch werden, sollen wir? Schließlich ist das Ziel, den Riegel herauszuholen. :)
isherwood
"Oder du legst den Deckel unter heißes Wasser." Tue ich das nicht, weil der Inhalt heiß war, als er versiegelt wurde, und jetzt bei Raumtemperatur bei einem niedrigeren als dem atmosphärischen Druck gelagert wird, der eine Kraft bereitstellt, die den Deckel hält? Und das Erhitzen des Inhalts (oder zumindest der Luft darüber) kehrt diesen Prozess um?
Doug McClean
Wir sprechen von Reibung zwischen den Gewinden des Deckels und den Gewinden des Glases. Ein geringer innerer oder äußerer Druck hat relativ geringe Auswirkungen auf die Deckelrotation.
Isherwood
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Nach meiner Erfahrung müssen Sie einen gefrorenen Bolzen erhitzen, bis er Blasen bildet, glühend heiß und weich wird, und ihn entfernen, solange er heiß und weich ist. Das Erhitzen und Abkühlenlassen des Bolzens hat mir nie geholfen. Wenn sich das Metall zusammenzieht, greift der Bolzen. es löst sich normalerweise nicht ... es verschlimmert wahrscheinlich die Situation.

Gleiches gilt für zusammengeklebte Trinkgläser ... Kälte, Kontraktion ist die Ursache für das Festfressen .

Ben Welborn
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4
Ich lasse es nicht abkühlen, aber glühend heiß ist viel zu weit; Sie riskieren, den Bolzen zu scheren. Dann was .... bohren und Gewindebohren.
Mazura
1
@ Mazura, wenn der Riegel heiß ist, wird er zeichnen und gleiten wie heißer Käse. Scheren ist ein Problem bei kaltem Käse. Käse zerbröckelt und zerbricht, wenn er kalt ist, nicht so sehr, wenn er heiß ist. Aber ja, es könnte immer noch passieren ... wenn es schert, können Sie sich trösten, wenn Sie wissen, dass es in beide Richtungen passiert wäre, und weniger wahrscheinlich, wenn es weich und dehnbar ist.
Ben Welborn
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Dies ist völlig die richtige Antwort, die scheiße ist, weil sie am Ende mit 0 Stimmen steht, und alle anderen Antworten über einen Unterschied in der Ausdehnung sind nur Müll. Unabhängig von Ihrem Schrauben- / Mutternmaterial und der Erwärmung, wird die Ausdehnung des Materials, in das die Schraube eingeschraubt ist, in den Hohlraum hinein und nicht in die Größe des Hohlraums hinein ausgedehnt. Das Argument Heizen / Kühlen mag Sinn machen, aber ich bezweifle wirklich, dass die Auswirkungen signifikant sind. Außerdem ist es nicht das, was Leute tun. Nein, der Grund dafür ist, dass heißes Metall eine weitaus geringere Federkraft auf das Gewinde ausübt, was den Bolzen tatsächlich festhält.
JJ
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@JJ Ja, sie denken, sie sind Wissenschaftler. Ich bin ein aktueller Wissenschaftler, und ich habe in der Schmiede gearbeitet und unter mehr Fahrzeugen, als ich zählen kann. Aber wie auch immer, die Wahrheit ist nicht immer beliebt.
Ben Welborn
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@Vladimir Cravero (Es tut uns leid, aber nicht genug Mitarbeiter, um einen Kommentar einzugeben) ...

Ich denke, dass eine Klärung der Antwort erforderlich ist. Die Nuss dehnt sich nicht "mehr" aus, sie wird größer, aber der prozentuale Anstieg ist der gleiche.

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%

Meine Wahrnehmung des Effekts der Erwärmung ist, dass sich nicht nur der Bolzen und die Mutter oder der Block ausdehnen, sondern sich auch der Raum zwischen ihnen ausdehnt, vergessen Sie das nicht.

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

etwas mehr Platz dazwischen, leichter zu entfernen. :)

spritle
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Es wächst jedoch "um mehr".
14.
2
Dies ist meiner Meinung nach die einzig richtige Antwort hier. Die Schraube vergrößert sich, die Mutter vergrößert sich und der Abstand zwischen ihnen vergrößert sich. Und genau in diesen Worten wurde ich von meinem Physiklehrer über das Prinzip unterrichtet.
Douglas Held
1

Ich denke, es gibt mehrere Faktoren, die zu diesem Effekt beitragen, aber ich denke, einer wurde nicht erwähnt. Eine andere Möglichkeit, einen festsitzenden Bolzen zum Lösen zu bringen, besteht darin, ihn durch heftiges Schlagen zu schockieren. Im Allgemeinen macht man so etwas wie ein Ventil, aber ich denke, das zugrunde liegende Problem ist dasselbe. Bei Rost würde ich erwarten, dass dies die spröde Struktur des Oxids zerstören kann. Ein weiterer Faktor ist, dass es zwei Arten von Reibung gibt. Es gibt Haftreibung und kinetische Reibung. Stellen Sie sich einen schweren (gefüllten) Karton auf dem Boden vor. Wenn Sie versuchen, es zu schieben, wird es zunächst "stecken". Sobald die Box anfängt sich zu bewegen, gleitet sie viel leichter. Dies ist der gleiche Grund, warum es schlecht ist, die Bremsen an einem Auto zu blockieren. Sobald der Gummi zu gleiten beginnt, wird die Reibung erheblich reduziert.

Die Temperatur ist das Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle einer Substanz. Das heißt, die Moleküle bewegen sich in jeder Substanz, die wärmer als der absolute Nullpunkt ist, und je schneller sie sich bewegen, desto höher ist die Temperatur. Wenn Sie etwas erhitzen, fügen Sie dem System kinetische Energie hinzu. Dies führt buchstäblich dazu, dass sich die Moleküle des Bolzens immer schneller bewegen. In einem Festkörper bewegen sich die Moleküle nicht frei im Raum und vibrieren im Wesentlichen. Das folgende Bild zeigt, wie sich Metallmoleküle beim Erhitzen bewegen.

Bildbeschreibung hier eingeben

Ich denke, es ist möglich, dass diese energetische Bewegung für sich genommen den gleichen Effekt wie die durch ein scharfes Klopfen verursachte Stoßwelle hervorruft. Dies und eine ungleichmäßige Änderung der Größe der Schraube und der Mutter können die Haftreibung brechen und / oder den spröden Rost zerbrechen. Ich weiß, dass, wenn Sie eine rostige Gusseisenbratpfanne haben, eine Lösung darin besteht, sie in ein heißes Feuer zu legen und der Rost wird einfach abfallen.

JimmyJames
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Da sich die Wärme nicht sofort ausbreitet, dehnt sich die Mutter stärker aus als der Bolzen ... wenn Sie es richtig anstellen ... was nicht trivial ist. Bei einem Lager anstelle einer Mutter / Schraube handelt es sich bei dieser [Induktions-] Erwärmung um eine branchenübliche Methode zum Entfernen, wie in diesem Video gezeigt , und insbesondere zum Befestigen. Die Entfernung erfolgt in diesem Fall sofort, sobald der Lagerring ausreichend erwärmt ist. Das Problem mit einer Mutter / Schraube ist, dass möglicherweise viel Wärme auf die Schraube übertragen wurde, bevor Sie die Mutter entfernt haben. Zitat eines Praktikers dieser Kunst "Sie möchten die Mutter und nicht die Schraube erhitzen".

Das Problem wird noch durch die Tatsache verschärft, dass es hierfür keine einzige Methode gibt. Sie können in diesem anderen Video sehendass die Mutter viel weißer wird als die Schraube, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen viel heißer wird. Der Haken ist, dass zu dem Zeitpunkt, an dem die Nuss entfernt wird, weder mehr leuchtet [in diesem letzten Video], so dass wir ihre Temperatur [Differenz] nicht visuell erkennen können. Luft ist jedoch ein viel besserer Isolator, daher vermute ich, dass die Schraube schneller abkühlt als die Mutter, weil sie mehr Metall berührt, das als Kühler fungiert. Ein Video mit einer Wärmebildkamera wäre definitiv ein Beweis, aber ich konnte keinen finden. Die Beschreibung des letzten Videos besagt auch, dass sich korrosive Bindungen durch Erhitzen lösen, was zwar auch zutrifft, aber ich habe die Wissenschaft in diesem Punkt nicht überprüft. Diese Behauptung geht auch davon aus, dass diese Bindungen nicht sofort durch Abkühlen wiederhergestellt werden.

Und für das in der Antwort des Fragestellers dargestellte Szenario: In der Praxis funktioniert das nicht so. Wenn Sie sich die zweite Hälfte dieses halbstündigen Videos ansehen , erwärmt der Typ vorsichtig den Rahmen um den Bolzen selbst, und es erfordert viel Zeit, Geduld und Sorgfalt, um erfolgreich zu sein, wenn die "Mutter" ein großes Stück ist.

Fizz
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Ich habe eine einfache Antwort, dass niemand gesagt hat, dass sich der Kopf des Bolzens von der Oberfläche ausdehnt, wodurch die Spannung des Gewindes gelöst wird und es so locker wird, dass es sich abstellt. Manchmal sind die Schrauben zu fest, auch wenn sie nicht verrostet sind.

John Alexander
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-1

Ich glaube, dass, wenn Rost oder Sediment ein Faktor ist, der das Lösen verhindert, die hohe Hitze dazu führt, dass sich die Trümmer mit der Hitze lösen und sich lösen, sodass sich der betreffende Bolzen oder das betreffende Teil leicht drehen kann.

Giulienne Longo
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-2

Gib einen Penny in einen Türpfosten und schließe ihn. Die Tür lässt sich kaum öffnen, da sie durch Reibung an Ort und Stelle gehalten wird. Das Biegen des übrigen Teils der Tür verhindert, dass sich diese bewegt. Ein verrosteter Bolzen ist im Wesentlichen dasselbe Prinzip - viele kleine Bindungen, die durch oxidiertes Metall an den Gewinden des Bolzens gebildet werden, verhindern, dass er sich dreht.

Die Hitze und Ausdehnung des Metalls diente lediglich dazu, diese Bindungen zu lösen. Es hat nichts mit Thermodynamik oder irgendeinem anderen wissenschaftlichen Unsinn zu tun. Es ist die einfache mechanische Wirkung des Streckmetalls, das den Rost aufbricht.

Daniel
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Wie zerbricht die Hitze diese Bindungen ohne irgendeinen "wissenschaftlichen Unsinn"? Magie?
JimmyJames
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Wie ist Reibung weniger "wissenschaftlich" als Wärmeausdehnung? Ist dir bewusst, dass Reibung und Druck in direktem Zusammenhang stehen? Ihr eigenes Beispiel zeigt dies. Wer hat überhaupt etwas über Rost gesagt?
Isherwood