Факультатив до підручника фізика 7-9 автора енко

З точки зору техніки гвинт (болт, шуруп) - це кріпильна деталь циліндричної форми, на яку по спіралі накладена різьблення, тобто ряд чергуються канавок і виступів. Гвинт можна уявити як похилу площину, обгорнутими навколо циліндра. Тому з точки зору фізики гвинт - це різновид простого механізму «похила площина», в результаті чого гвинти (болти, шурупи) можна використовувати для перетворення руху і сили. Якщо похила площина перетворює одне прямолінійний рух в інше (наприклад, рух по горизонталі в рух під кутом до горизонту), то гвинт перетворює Непрямолінійність (обертальний) рух в прямолінійне, наприклад, стягуючи з'єднуються деталі.

Винахід гвинта приписується великому давньогрецького вченому Архімеда (287-212 рр. До н.е.). Що ж являє собою гвинт Архімеда? Це спіраль з дуже великої різьбою, поміщена всередину циліндра (див. Малюнок). При обертанні гвинта виступи його різьблення зачерпує рідину і захоплювали її по циліндру. В результаті вода виливалася через верхній відкритий кінець. Таким чином, помістивши один кінець циліндра в воду, а інший розташувавши вище, рідина подавали на більш високий рівень, приводячи гвинт в обертання.

Подібний архимедів гвинт застосовувався для підйому води при зрошенні територій і для осушення шахт, трюмів кораблів, низин і заболочених місць. Важливою перевагою було те, що подібним способом піднімали як чисту рідину, так і її суміш з землею, піском, мулом. Крім того, цей пристрій також використовувалося для «крадіжки» територій біля моря і створення штучних островів. На фотографії показані сучасні архимедови гвинти, які використовуються для осушення земель в Голландії. Архимедови гвинти можна побачити в «пескалаторах», призначених для безпечного підйому риби зі ставків для подальшої її перевезення в інше місце. Ця технологія застосовується в риборозплідників для зменшення грубого поводження з живою рибою.

Гвинти зі стрижнем трохи лезо і великим кроком різьби називають шурупами. Це слово походить від німецького «шраубе» - гвинт, вкручувати в дерево або інший м'який матеріал, в якому шуруп сам формує різьблення. Можливість ввёртиванія в матеріал шуруп отримує за рахунок «високої» різьблення, яка присутня на загострені стрижні шурупа. Розміри і зовнішній вигляд шурупів різноманітні в залежності від вимог до конструкції, що монтується і зовнішнім виглядом виробу.

Болти - це гвинти, призначені для створення міцного роз'ємного з'єднання декількох деталей, в яких є отвори, трохи більші діаметра болта. Отвори поєднують, болт вставляють в отвір і накручують гайку. Для більш надійного з'єднання під головку болта і гайку підкладають шайби з м'якого металу. Щоб уявити, яку важливу роль в техніці грають різного роду болти, відзначимо, що в пральній машині їх близько 120, вантажному залізничному вагоні - 1200, легковому автомобілі - 3500, літаку - 1500000 штук!

Це були технічні аспекти різних форм гвинтів і їх застосувань. Розглянемо тепер аспекти фізичні. Гвинт найчастіше використовується як пристосування для отримання виграшу в силі, оскільки різьблення - це похила площина. Уявімо, що похилу площину висотою h і довжиною l «обмотали» навколо циліндра (див. Малюнок). Повертаючи гайку, ви пересуваєте її по похилій площині. Без урахування тертя виграш в силі F 1 / F 2 виявляється рівним відношенню l / h. так як це відношення відстані h. на яке переміщається навантаження, до відстані l. прохідність точкою докладання зусиль. І, оскільки гіпотенуза завжди більше катета, похила площина дає виграш в силі.

Розглянемо це більш детально на прикладі гвинта і шурупа рівних діаметрів. Очевидно, шуруп, маючи більший крок різьблення, дає нам менший виграш в силі. Гвинт, призначений для створення надійного кріплення, має набагато меншу відстань між сусідніми гребенями різьби, тому дає відчутно більший виграш в силі. Це так тому, що виграш в силі тим більше, чим менше кут нахилу площини. Для порівняння: гірські дороги мають вигляд серпантину, і чим менше його крутизна, тим легше за такою дороге підніматися.

При закручуванні шурупа в дошку або при стягуванні болтом деталей доводиться долати настільки великі сили тертя, що неозброєною рукою це зробити неможливо. Тобто виграшу в силі, одержуваного за допомогою гвинта / шурупа, недостатньо, і нам доводиться використовувати ще і важелі: викрутки з товстими ручками або гайкові ключі з довгими кінцями. В ідеалі можна отримати виграш в силі в 10 і більше разів, якщо товсту і / або довгу рукоятку інструмента поєднувати з малим кроком різьби гвинта і / або шурупа. В цьому випадку сумарний виграш в силі, створюваний комбінованим механізмом, дорівнює добутку виграшів окремих механізмів, що входять до його складу.