Простые механизмы: Винт

Начнем с определения винта.

Рисунок $1$. Гайка, накручиваемая на винт. $h$ – Шаг винта.

Схематическое представление винта

Для наглядного представления одного витка резьбы винта можно использовать прямоугольный треугольник, который навивается на цилиндр. Его сторона $АВ$ (катет) будет соответствовать так называемому шагу винта – тому расстоянию, на которое смещается гайка при одном полном обороте, а сторона $ВС$ – длине окружности основания цилиндра, на который наносится винтовая резьба. Гипотенузе $АС$ будет соответствовать край одного оборота резьбы. Край другого оборота резьбы гайки $А\text{'}С\text{'}$ будет примыкать к ней.

Рисунок $2$. Схематическое представление винта в виде треугольника, навитого на цилиндр

$ВС$ образует окружность, длина которой равна $2\pi r$ ($r$ – радиус цилиндра с резьбой). При вращении винта происходит его нажим на резьбу гайки, который и заставляет ее совершать дальнейшее движение по оси винта. Поскольку обе поверхности, как правило, тщательно шлифуют и используют дополнительную смазку, мы зачастую можем в расчетах пренебрегать силами трения между гайкой и винтом. Следовательно, направление сил давления между ними будет практически перпендикулярным относительно плоскости их соприкосновения. Обозначим силу, действующую со стороны винта на гайку, как $F_1$, а другую силу, действующую со стороны гайки, как $F_2$. При вращении винта приходится преодолевать составляющую второй силы, направленной против движения винта. При этом в противоположном направлении на гайку будет действовать составляющая силы $F_1$. Составляющая силы $F_2$ будет уменьшаться при уменьшении угла $a$ (при заданном значении $F_1$). Мы получили такое же соотношение между этими силами, какое существует для клина, угол которого при основании равен $a$. Значит, зная правила винта, его шаг и диаметр, можно определить угол клина, эквивалентного винту. В случае, если клин острый, винт делают утолщенным (т.е. увеличивают величину $r$). Именно такими, к примеру, являются винты простых приспособлений для поднятия тяжелых предметов (домкратов). Действие устройства показано на рисунке ниже.

Рисунок $3$

Спектр применения винтов очень широк. Прежде всего, это всевозможные приспособления для крепления или сдавливания (шурупы, болты и т.д.). Используя винт для пресса, мы можем создать большую внешнюю силу давления, приложив сравнительно небольшое внешнее усилие.

Задачи на применение представлений о винтах