Dilatación
07 mar, 2013
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PDFBimetálica
PRESENTACIÓN: Se sueldan dos metales diferentes para formar un único elemento, por ejemplo latón y acero. Cuando se somete a un cambio de temperatura con una llama o un secador se tuerce debido al diferente coeficiente de dilatación térmica relacionado con el cambio de geometría cuando varía la temperatura: hacia el lado del acero si se calienta y hacia el lado del latón si se enfría.
- A demonstration apparatus for linear thermal expansion, Erland H. Graf, Phys. Teach. 50, 181 (2012)
- Another Demo of the Unusual Thermal Properties of Rubber, Mark I. Liff, Phys. Teach. 48, 444 (2010)
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El fenómeno de dilatación está muy presente en nuestra vida cotidiana, y es importante que el alumnado lo entienda así. Por ello, creo que se podrían dar múltiples ejemplos de momentos en los que sucede dilatación, no solo en materiales metálicos; o, mucho mejor, presentar experimentos caseros para que se visualice mejor este fenómeno. He encontrado otro experimento que también refleja el fenómeno de dilatación. Creo que es el que se mostró en clase, pero me pareció muy interesante.
Aquí os dejo otro experimento muy sencillo y muy visual sobre este tema, ya que es muy interesante pero difícil de apreciar a simple vista.
La dilatación es un fenómeno físico y como se ha dicho anteriormente un cambio en la temperatura puede hacer variar su geometría. Esto es muy importante en nuestro medio y sobre todo en el mundo de la construcción, ya que los ingenieros y arquitectos tienen en cuenta este fenómeno para saber con que tipo de material se va a emplear para construir y ver que la temperatura no afecte al mismo.
En las vías del ferrocarril se procura dejar un espacio entre los rieles por la misma razón; este espacio en las vías es el causante del traqueteo de los vagones
Dilatación de los metales por temperatura. Muy ligado a efectos cotidianos, pero difícil de apreciar a simple vista. Por eso se usa la soldadura de dos metales distintos con diferente coeficiente de dilatación. Antiguamente los trenes traqueteaban, por ese problema, los railes con el calor se dilataban, por lo que entre rail y rail se colocaba una junta de dilatación, que hacia el característico ruido del tren cuando pasaba sobre ella. Este efecto también es muy importante cuando pasamos por encima de un puente, también se debe tener en cuenta la dilatación.
La dilatación de los metales ha sido «imputada» por ser una de los causantes de una chapuza y despilfarro de dinero en Valencia (qué raro), donde intentaron revestir una bóveda metálica con piezas de cerámica. El riesgo de accidentes graves ha obligado a que el trencadís del Palau de les Arts sea retirado, y eso que los desperfectos causados ya ascienden a más de tres millones de euros. Tras realizar fotografías, catas y estudios termográficos, los expertos coinciden en que la causa principal del desprendimiento es un fallo de la adherencia del revestimiento, que no ha sido capaz de resistir las tensiones producidas por la dilatación entre el metal y la cerámica por efecto del frío y del calor.
Al menos Gustave Eiffel aprovechó esta propiedad de los metales para aportar un toque impresionante, y la estructura crece e incluso se inclina por la diferente incidencia del Sol durante el día.
La dilatación es algo que debemos tener muy en cuenta. Sobre todo los ingenieros saben bien del problema que esto puede suponer a la hora de construir carreteras, puentes, vías de tren etc. En todas estas estructuras encontramos juntas de dilatación que lo que hacen es evitar que este fenómeno destruya las estructuras.
En este enlace os dejo un caso particular.
Los procesos de dilatación térmica no sólo son importantes en el ámbito de la ingeniería, también tienen importancia en la naturaleza, ayudando a moldear el terreno. Esto se hace especialmente notorio en lugares con cambios drásticos de temperatura, por ejemplo en desiertos, donde es común encontrar múltiples grietas en las rocas, producidas por la dilatación y contracción de las mismas.
El aluminio, se dilata dos veces más que el hierro. Si soldamos en una barra dos tiras paralelas de estos metales y la calentamos, la mayor dilatación del aluminio hará que la barra se doble hacia un lado; y si la enfriamos ocurrirá exactamente al contrario. Habremos fabricado así un termómetro que puede señalarnos las temperaturas y, en ciertos casos, un termostato,
En un sólido las moléculas tienen una posición razonablemente fija dentro de él. Cada átomo de la red cristalina vibra sometido a una fuerza asociada a un pozo de potencial, la amplitud del movimiento dentro de dicho pozo dependerá de la energía total de átomo o molécula. Al absorber calor, la energía cinética promedio de las moléculas aumenta y con ella la amplitud media del movimiento vibracional (ya que la energía total será mayor tras la absorción de calor). El efecto combinado de este incremento es lo que da el aumento de volumen del cuerpo.
La dilatación térmica es un fenómeno físico muy común en la vida cotidiana, por ello resulta muy interesante realizar con los alumnos alguna actividad manipulativa que muestre este fenómeno, como por ejemplo la que se muestra anteriormente. La dilatación térmica es el proceso mediante el cual un cuerpo incrementa de volumen/tamaño cuando aumenta su temperatura. El aumento de temperatura hace que las partículas que constituyen el cuerpo se muevan más rápidamente y ello hace que necesiten un mayor espacio para desplazarse, motivo por el cual el cuerpo necesita aumentar de volumen/tamaño. En cambio, cuando la temperatura se reduce se produce el fenómeno contrario, la contracción térmica, y el cuerpo disminuye de volumen/tamaño. El hecho de que la temperatura provoque en los cuerpos estos dos fenómenos hace que tengan que tenerse muy en cuenta en la construcción de estructuras, por ejemplo en la construcción de las vías del tren. Ajunto link donde se explica el fenómeno de la dilatación térmica en detalle ). Además, os dejo un experimento realizado por estudiantes que me resulto muy ilustrativo para hacer en distintos niveles educativos.
La dilatación es un fenómeno físico bastante cotidiano. Al someter a un objeto a elevadas temperaturas, se produce una mayor vibración en cada uno de sus átomos provocando un aumento de las distancias interatómicas. Se trata de un fenómeno que hay que tener en cuenta en situaciones de la vida real como en la construcción.
A continuación, pongo un enlace a otro experimento que explica este fenómeno. Los materiales que utiliza son sencillos de conseguir y poco costosos, pero es un poco peligroso por lo que recomiendo hacerlo con alumnos más mayores, de bachillerato y siempre bajo la supervisión del profesor.
Este experimento me parece interesante para explicar los conceptos de dilatación en metales y su aplicación a la vida diaria, como por ejemplo, la construcción de puentes mediante piezas conectadas con juntas de expansión para permitir la dilatación de sus metales.
Dejo aquí un dato curioso: el puente Storebæltsbroen (Great Belt Bridge), en Dinnamarca, el tercer puente colgante más largo del mundo, puede dilatarse hasta 4,7 metros en días cálidos.
La dilatación térmica está más cerca de lo que parece. Los interruptores magnetotérmicos presentes en la inmensa mayoría de las edificaciones, tienen una lámina bimetálica que cuando es recorrida por una intensidad de corriente mayor de la deseada, se calienta debido al efecto Joule. Dado que los coeficientes de dilatación de los dos metales son diferentes, la lámina bimetálica se dobla haciendo que el circuito se abra. Se trata de una tecnología que protege frente a intensidades de corriente que no son excesivamente elevadas, pero sí continuadas en el tiempo.
La dilatación de los metales es ampliamente conocida, pero eso no impide que, en ocasiones como la anteriormente señalada por una compañera, haya estructuras en las que no se tiene en cuenta dicho factor. De hecho, la dilatación es proporcional al calor recibido por la pieza, y, como en este caso, el latón tiene un coeficiente de dilatación de 18 y el acero de 12 la lámina de latón se dilata más y crece curvando la hoja hacia el lado del acero.
La dilatación no solo se limita a sólidos, sinó que también se puede producir en líquidos y gases, como se indica en la siguiente página. Además no debemos olvidar que nuestro propio cuerpo también sufre procesos de dilatación y compresión. Ejemplos de ellos son que por ejemplo en verano los zapatos nos aprieten más o que nos cueste más sacarnos los anillos de los dedos debido al calor característico de esa época del año.
El latón se expande más que el acero a una misma temperatura puesto que su coeficiente de dilatación lineal es mayor que el del acero (18*10-6 °C-1 latón y 12*10-6 °C-1 el acero). Por esto, se observa como la barra se dobla formando curvatura hacia el latón cuando se somete a una fuente de calor y vuelve a la posición inicial cuando se enfría. Dicho fenómeno está muy bien explicado en el siguiente vídeo.
Este proceso de dilatación de materiales sólidos puede transferirse también al ámbito de la geología. Uno de los procesos de meteorización física de las rocas se basa en la dilatación y contracción de las rocas como consecuencia de la diferencia térmica día-noche. Este tipo de meteorización física es conocida como termoclastia, y generalmente se produce en climas extremos con grandes oscilaciones térmicas entre el día y la noche (ej. el desierto).
Una aplicación de este fenómeno de dilatación se puede observar en las vías del tren. Si observamos las vías de tren tradicionales vemos que cada cierto tramo hay un hueco en las vías, que es el responsable de conocido traqueteo del tren. Este hueco se deja para que cuando por las altas temperaturas el metal se dilate, tenga espacio para expandirse y no se deformen. En los trenes modernos de alta velocidad se han desarrollado nuevas tecnologías en las que las soldaduras son las que absorben esta dilatación. En este vídeo se puede observar mejor.
A dilatación térmica é un fenómeno físico que consiste no cambio das dimensións dun corpo baixo a acción da temperatura. Existen tres tipos: lineal, superficial e volumétrica como se pode observar no seguinte enlace. A explicación a este proceso radica no feito de que tódolos corpos están compostos por partículas, e cando estos corpos aumentan de temperatura, as partículas móvense máis rápido, polo que precisan máis espazo, de aí que aumenten o seu volume como se pode ler no seguinte enlace. Este fenómeno é de moita importancia en bioloxía xa que aparece en procesos como as enfermidades por dilatación do corazón.
A diferenza entre os coeficiente de dilatación térmica dos distintos materiais pódese demostrar na aula cun sinxelo experimento: quentando unha lámina de papel de aluminio pegada a un papel vexetal cunha vela observaremos que a lámina se curva cara a superficie do papel por presentar o aluminio un coeficiente de dilatación maior.
Podemos explicarlle aos alumnos a importancia da aplicación destes conceptos na reloxería comentando o funcionamento do “péndulo de parrilla” inventado polo reloxeiro británico John Harrison en 1726. Este dispositivo compensa as variacións producidas na lonxitude do péndulo debidas a dilatación térmica mediante o emprego de barras de zinc e aceiro.
Una barra de aceiro central que contén o bob (peso do péndulo) fíxase a unha peza transerval (ponte central) a cal se conecta con dúas barras de zinc dispostas hacia abaixo. No extremo inferior, as barras de zinc fíxanse nunha peza transversal (ponte inferior) a cal vai conectada a dúas barras de aceiro dispostas hacia arriba, cuxo extremo superior está fixado a unha ponte superior e esta conectada a unha suspensión. Deste xeito, a medida que as barras de aceiro se expanden a ponte inferior baixa, pero esta vese compensada coa elevación da ponte central na que está fixada a barra central en relación a expansión das varillas de zinc cara arriba. Achego un vídeo que ilustra a explicación.
El video me parece muy interesante para explicar el concepto de dilatación en clase de una manera práctica y manipulativa. Leyendo los comentarios anteriores se me ocurrió buscar información sobre obras de ingeniería que sufrieran colapsos por no tener juntas de dilatación, y en vez de eso me encontré todo lo contrario, encontré una página de la Xunta de Galicia donde comentan que el puente de A Illa de Arousa es el primero de su longitud (1980m) en construirse sin juntas de dilatación intermedias.
Existen objetos fabricados específicamente para medir las expansiones y contracciones térmicas en objetos sólidos. Estos se denominan dilatómetros, y pueden medir desde el coeficiente de expansión térmico hasta procesos de contracción inducidos.
En el siguiente enlace del Museo Nacional de Ciencia y Tecnología se puede observar un dilatómetro antiguo. Estos se empleaban comúnmente en los laboratorios de física desde el siglo XVIII para estudiar los metales.
Como se ha mencionado anteriormente, la dilatación no solo ocurre en sólidos y hay un caso muy curioso que es el del agua ya que una de las propiedades físicas más curiosas e importantes del agua es su dilatación anómala.
Esta dilatación se puede medir fácilmente observando el nivel del agua. A medida que se incremente la temperatura del agua, esta ira bajando gradualmente indicando una contracción. La contracción continuara hasta que la temperatura del bulbo y la del agua sean de 4°C. Cuando la temperatura aumenta por arriba de 4°C, el agua cambia de dirección y se eleva en forma continua, indicando la dilatacion normal con un incremento de temperatura. Esto significa que el agua tiene su volumen mínimo y su densidad máxima a 4°C.
Gracias a la dilatación anómala del agua es posible la vida en los ecosistemas acuáticos.
También podemos hablar de procesos de dilatación en la Tierra…
En 1959, el Dr. Pablo Groeber escribió su ensayo sobre “La dilatación de Tierra”. En ese trabajo el autor presenta una serie de argumentos para sostener esta nueva hipótesis de la Tierra en expansión.
Su contribución consta de dos secciones. La primera, con un marco introductorio, plantea los principales fundamentos geofísicos para apoyar la teoría. Con ese fin, realiza una serie de análisis basados en trabajos previos logrando obtener la variación interna de la densidad en la Tierra, y así justificar la dilatación de la Tierra considerando la necesidad de una serie de procesos en el núcleo terrestre. Por último, relaciona estos procesos con un modelo que muestra cómo aumentó el radio terrestre en el tiempo. Para más información sobre las controversias de este trabajo haz click en el siguiente enlace.
Experimento muy útil para explicar el concepto de dilatación en clases de secundaria. A parte de éste, se me ocurre otro experimento quizá más interesante por su relación con la aplicación directa al día a día del alumno/a. Todos conocemos las rayas (agujeros) que existen en los puentes. Aprovechado esto, podríamos realizar un experimento con dos láminas metálicas «empotradas» en sus extremos más alejados y apoyadas en una superficie en común en los otros. Si realizamos el montaje sin distancia entre las puntas y después calentamos las láminas podríamos ver como pandean haciendo inútil/ peligroso nuestro puente simulado. Si embargo, si dejamos esa pequeña distancia entre las puntas, podríamos observar que, tras calentar las láminas las puntas se han juntado y el puente mantiene su planitud.
Me ha parecido muy interesante el experimento, y sobre todo visual para los alumnos. Para explicar la dilatación térmica optaría primeramente por el experimento de la lámina de papel aluminio de comentarios anteriores, me parece igual de visual y más fácil de conseguir el material. Aquí dejo otro enlace del experimento. Lo primero que me vino a la cabeza al leer dilatación térmica, fue el tema de las puertas de madera sobre todo las exteriores, ese momento que no cierra perfectamente y tienes que pelearte. Busqué sobre el asusto, y creo que si es una dilatación (pues es cambio de volumen) aunque me parece que más está relacionada con la absorción del agua y la dilatación de esta, sería una «hinchazón». Según mi búsqueda el coeficiente de dilatación de la madera es muy bajo, aunque depende del tipo de madera. Aquí una de las páginas.
Y volviendo a la dilatación térmica destacar que no solo está presente en los metales, si no en muchos otros elementos como los gases. Y como se menciono en otros comentarios que hay 3 tipos: lineal, superficial y volumétrica. Aquí dejo un vídeo que muestra un experimento para cada tipo.
Esta experiencia me parece muy interesante para poner de manifiesto la importancia que tiene entender el diferente comportamiento de los materiales ante los cambios de temperatura. De hecho, de nuevo esta propiedad es determinante en las uniones de los materiales en construcción e ingeniería, ya que cuando dos materiales con diferentes coeficientes de dilatación se hacen trabajar solidariamente, pueden generar problemas de fisuras, dobleces, etc.
Interesante ejemplificación del proceso físico de la dilatación térmica que tiene gran relevancia en la caracterización y empleo de los materiales. Por ejemplo, en la fabricación de motores en la que se utilizan numerosas piezas metálicas se tiene en cuenta el fenómeno de dilatación a la hora de diseñar la forma de dichas piezas. El pistón generalmente posee menor diámetro en el extremo superior debido a que esta parte estará expuesta a temperaturas elevadas y sufrirá cierta dilatación.
Al leer “Dilatación térmica” lo primero en lo que he pensado es en los tradicionales termómetros de mercurio, cada vez más reemplazados por los digitales. Estos termómetros contienen mercurio en su interior que se dilata o contrae con los cambios de temperatura. El mercurio es un elemento muy curioso porque es el único metal que es líquido y además tiene un coeficiente de dilatación constante desde 0⁰C a 300⁰C. ¿Y esto qué significa? Pues que a medida que aumenta la temperatura sobre el mercurio, este aumenta de volumen y este aumento de volumen es constante, por eso resulta muy útil y preciso para medir la temperatura.
Muy ilustrativo el vídeo de la varilla. Las moléculas de los metales se separan al elevar la temperatura, provocando su dilatación. Cada metal presenta un coeficiente de dilatación diferente. En construcción se utilizan gran número de metales, siendo el más común el acero. Una dilatación provocada por un aumento de temperatura, por ejemplo, en un incendio, puede generar tensiones adicionales que acaben colapsando la estructura mucho antes de que el metal se funda o pierda capacidad portante. Para calcular la dilatación de un material ante un aumento de temperatura se suele emplear el coeficiente de dilatación térmica lineal, el cual relaciona la variación de temperatura con el cambio que experimenta el metal en una dimensión, siempre que no haya cambios de fase. La dilatación es algo que cualquier ingeniero debe tener en cuenta a la hora de construir carreteras, puentes, edificios, etc. En todas estas estructuras se encuentran las llamadas juntas de dilatación, las cuales evitan que este fenómeno las destruya. Un ejemplo que se puede observar en Vigo, son las juntas de dilatación del puente de Rande. Debido a la velocidad igual nos es difícil verlas, pero podremos sentirlas cuando nuestro coche pase por encima de ellas.
Los fenómenos de dilatación, no sólo de elementos bimetálicos, tienen numerosas aplicaciones a nivel práctico. Por ejemplo, la válvula termostática del motor de los coches permite controlar el paso del refrigerante por el radiador de forma que se logre una temperatura de trabajo óptima del refrigerante (90 grados). Esta válvula abre o cierra debido a los fenómenos de dilatación y contracción de una cera especial, seģún la temperatura que tenga el refrigerante que baña la válvula. Su funcionamiento se ilustra en el siguiente vídeo.
Interesante experimento para coñecer a importancia que ten a dilatación na contrucción de edificacións e pontes.
Otro experimento relacionado con la dilatación térmica de los metales es el que se muestra en el siguiente enlace. Este experimento comienza con la realización de un agujero en la tapa metálica de un frasco de cristal del tamaño justo para permitir el paso de una arandela metálica. Posteriormente, cogemos la arandela con una pinza de madera y la acercamos al fuego durante un par de minutos y la retiramos de la llama. Si intentamos pasar la arandela por el agujero de la tapa justo después de retirar la arandela del fuego, comprobaremos que no es posible. Sin embargo, si la enfriamos sumergiéndola previamente en el vaso con agua, si conseguiremos que lo atraviese. Esto se debe a que los sólidos están formados por partículas que vibran alrededor de posiciones fijas. Cuando aumenta la temperatura, aumenta la vibración o agitación térmica. Como resultado, las partículas se separan produciendo un aumento del tamaño del sólido, es decir, su dilatación.
Esto se debe a que el Coeficiente de Dilatación Lineal del latón (1.8×10-5 ⁰C) es mayor al del acero (1.2×10-5 ⁰C). Pensemos en las vías del tren de alta velocidad, AVE. Estas vías son vivas, esto quiere decir que no tienen juntas de dilatación. En las uniones de las vías se realiza una soldadura aluminotérmica y ésta se debería realizar a la temperatura media del lugar y después de realizar la LIBERACIÓN DE TENSIONES DE LAS VÍAS. Sugiero que se investigue sobre esta liberación de tensiones para ver lo que es la dilatación y contracción de la vía del tren.
Este experimento me parece una forma muy sencilla de poder demostrar en un aula a los alumnos la variación que pueden sufrir algunos cuerpos. Un ejemplo de esta variación de dimensión ocurre en la Torre Eiffel cuyo tamaño puede variar unos pequeños centímetros dependiendo de la temperatura.
La dilatación es un fenómeno fundamental que nuestros estudiantes tienen que conocer y sobretodo entender ya que se lo van a encontrar en su día a día. Creo que hacer experimentos como este o como algunos que pusieron mis compañeros, ayudan a que entiendan el concepto. Pero también es importante que conozcan ejemplos cercanos, por ejemplo: la gasolina se dilata durante el verano, las juntas en las vías…pero también se produce dilatación en procesos biológicos, por ejemplo en las pupilas de los ojos con la intensidad de la luz.
Como se indica en el vídeo, el funcionamiento de los termostatos se basa en este fenómeno. Estos elementos emplean mecanismos físicos para medir la temperatura del aire y activar o detener procesos para modificarla, como pueden ser las tiras bimetálicas que mediante expansión o contracción, activan interruptores para cambiar la temperatura. Los termostatos más comunes son los basados en tiras bimetálicas. Según la temperatura del ambiente, los metales de cobre, acero y hierro provocan que la tire se doble según los esfuerzos de expansión o contracción que ejercen sobre esta. Cuando las tiras son suficientemente dobladas, se actúa en un contacto eléctrico para activar el sistema de refrigeración o calefacción, volviendo a su posición inicial en cuanto la temperatura ambiente se ve modificada.
Siempre me llamaron la atención las juntas de dilatación térmica de los puentes. Son las líneas metálicas perpendiculares que cruzan la carretera de un lado al otro. Ya de pequeño me asustaba el ruido que hacía el coche al pasar por encima de ellas pero pronto me explicaron que si no estuvieran, todo el asfalto podría resquebrajarse por la presión que la compresión a la que estaríaa sometida toda la estructura horizontal del puente al ser dilatada por las altas temperaturas en verano. El coeficiente de dilatación del hormigón es de 10^-5 Kº^-1, por lo que un tramo de puente de 200 metros se dilata 2 mm por cada grado Kelvin de diferencia. Entre -10ºC y 40ºC (50 ºK de diferencia) serían 0,1 metros de dilatación que podrían ser fatales sin dichas juntas.
Este experimento, en sí ya muy interesante, quedaría mejor ilustrado para el alumnado si lo pudiesen observar a través de una cámara termográfica.
Los procesos de dilatación están presentes en nuestra vida diaria, hay muchos ejemplos: a) el termostato de las planchas posee dos láminas fijas que se dilatan de diferentes maneras con la temperatura accionando los contactos eléctricos, permitiendo que la plancha se encienda cuando disminuye la temperatura y se apague cuando aumenta; b) el aire contenido dentro de las ruedas de los autos, en verano al aumentar la temperatura se dilata aumentado su volumen, por lo que las ruedas de los autos quedan más infladas en verano que en invierno; c) cuando circulamos por un puente cada x metros existen unas juntas de dilatación para que las piezas de hormigón y acero no estén en contacto directo, de modo que con los cambios de temperatura tengan distancia para expandirse o contraerse…
La dilatación de los materiales es un fenómeno muy interesante, aunque suele asociarse con los metales y con el aumento de temperatura. Sin embargo, cabe destacar que muchas otras sustancias poseen la propiedad de dilatarse, un ejemplo curioso es el del agua. Por encima de los 4ºC el agua tiende a dilatarse. Sin embargo, si la temperatura desciende de los 0ºC aproximadamente, el agua en lugar de contraerse también se dilata. Este fenómeno permite que el hielo pueda flotar sobre el agua, debido que dilatarse aumenta su volumen, disminuyendo su densidad de tal modo que el hielo se mantiene flotando sobre el agua líquida. En definitiva, en agua puede dilatarse debido a un aumento o descenso de las temperaturas.
En relación al comentario anterior, cabe destacar que habitualmente, el aumento del nivel del mar debido al cambio climático se atribuye al deshielo de los casquetes polares. Aunque esto es cierto, cabe destacar que entorno a la mitad del aumento del nivel del mar que se produjo en el siglo pasado es debido a la dilatación del agua. El aumento de la temperatura provoca que se caliente y se dilate, ocupando más espacio.
Recuerdo que, en algún momento de mi vida, me explicaron el fenómeno de la dilatación en los metales empleando una barra y una pieza metálica con un orificio en el medio, similar a una arandela con un mango para cogerla desde un lateral. Cuando estaba fría, la pieza con forma de arandela no era capaz de bajar por la barra, y al aplicar calor con un soplete, el orificio se expandía y esta vez sí, la arandela era capaz de pasar por la barra.