神奇的右螺旋

徐建兵

(江蘇省泰興中學,江蘇泰興 225400)

日常生活中我們遇見很多右螺旋現(xiàn)象,例如螺絲釘?shù)穆菁y、藤莖植物繞樹木的攀爬路徑、電風扇工作時的葉片旋轉方向、船上螺旋槳的旋轉方向等都存在右螺旋,那么右螺旋的神奇作用是什么呢?我們就以螺絲釘為例來揭開它的神秘面紗.

1 螺絲釘?shù)暮唵谓Y構

如圖1所示,一般螺絲釘是有螺帽、螺身構成.螺帽有一字槽,螺身有螺紋和螺絲釘尖.

圖1

2 螺絲釘?shù)牧W原理

(1)螺帽和螺身構成輪軸

如圖2俯視圖所示,用一字起給螺帽施加一對力偶F,將在螺身得到較大的力 f,根據(jù)杠桿原理得:

R與r比值越大,力 f越大,而尖端的 r非常小,所以在螺絲釘尖端將得到非常大的力,體現(xiàn)了輪軸為一省力的簡單機械結構.

(2)螺紋的工作原理

(a)螺紋為變形斜面力學原理

圖2

如圖3所示,螺紋是斜面的變形,螺紋就像包裹在圓柱體外的斜面,現(xiàn)在對斜面上的P點進行受力分析:P點所受的力如圖2中的 f,沿圓的切線方向,把 f分解為垂直斜面向上和沿斜面向下的兩個分力f1、f2,如圖4所示,斜面上的其他物點可以作同樣受力分析,現(xiàn)把垂直于斜面的分力求合力為 f1合,沿斜面向下的分力求合力為 f2合,可見 f1合作用于受力物體有使受力物體向上運動的效果,而f2合有使螺絲釘向下運動的效果,f2合在螺絲釘尖端再次合成為沿螺身軸線向下的力,由于尖端面積小、壓強較大,使螺絲釘更容易鉆入物體中.

圖3

(b)螺紋為斜面的延伸

螺紋可以用來舉起物體,螺紋就像一條螺旋狀的山路,螺紋越密,螺距越小,斜面的傾角越小,就越省力.如果利用一字起將螺帽順時針轉一圈,螺絲釘就會上升一個螺距h(兩個螺紋間的距離為一個螺距),則物體上升 n個螺距時,外力對螺帽做的功為

圖4

N個螺距重力做的功為

根據(jù)機械能守恒定律得到

(c)神奇的右螺旋

仔細觀察圖1螺紋的旋進方向,可以總結出右手螺旋定則,即伸出右手,握住螺絲釘,四指環(huán)繞的方向為螺紋旋進的方向,那么大拇指所指的方向為螺絲釘前進的方向,據(jù)此可以判斷:順時針方向旋轉時前進,逆時針方向旋轉時后退.

(d)螺紋的其他作用

①螺紋本身側面積小,易粉碎周圍物質,有利于在物體中前進;

②當螺絲釘鉆入物體中后,它的螺紋又有固定螺絲釘?shù)淖饔?很難直接拔出,但可以旋出.

3 右螺旋廣泛的應用

(1)法國科學家安培提出了右手螺旋定則來判斷電流周圍的磁場方向.

(a)直線電流的磁場:右手握住導線,讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致,彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向.

(b)環(huán)形電流的磁場:讓右手彎曲的四指與環(huán)形電流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是環(huán)形導線軸線上的磁感線的方向.

(c)通電螺線管的磁場:右手握住螺線管,彎曲的四指指向電流環(huán)繞的方向,大拇指所指的方向為螺線管內的磁場方向.

(2)右螺旋使機械設備的效率極高、用途極廣,阿基米德螺旋機是最早的螺旋機械之一,根據(jù)螺紋旋轉的方向可以用右手螺旋定則來判斷傳輸?shù)姆较?當時的人們用它來把水從低位升到高位.再如根據(jù)電風扇葉片的旋轉方向可以用右手螺旋定則判斷風的運動方向;由螺旋槳的旋轉方向來判斷水流的方向從而確定推動船是前進還是后退.

(3)生物右螺旋,如藤莖植物繞樹木的攀爬路徑,食物順食道的物流路徑,血管中血液的流動路徑等都是神奇的右螺旋,我們也可以由右手螺旋定律來判斷其運行方向.河里的螺絲貝殼也是呈右螺旋,在河底,螺尖朝上由右手螺旋定律判斷的方向與水的重力方向相反,使它能承受更重的力,同時不易被捕食者拔出.在此右螺旋被螺絲巧妙地用以保護自己.

這種右螺旋神奇的“力量”已經被人類和生物廣泛利用,相信隨著科學技術的發(fā)展,它將會發(fā)揮更多的神奇作用. (收稿日期:2010-01-29)