神奇的右螺旋

徐建兵

(江苏省泰兴中学,江苏泰兴 225400)

日常生活中我们遇见很多右螺旋现象,例如螺丝钉的螺纹、藤茎植物绕树木的攀爬路径、电风扇工作时的叶片旋转方向、船上螺旋桨的旋转方向等都存在右螺旋,那么右螺旋的神奇作用是什么呢?我们就以螺丝钉为例来揭开它的神秘面纱.

1 螺丝钉的简单结构

如图1所示,一般螺丝钉是有螺帽、螺身构成.螺帽有一字槽,螺身有螺纹和螺丝钉尖.

图1

2 螺丝钉的力学原理

(1)螺帽和螺身构成轮轴

如图2俯视图所示,用一字起给螺帽施加一对力偶F,将在螺身得到较大的力 f,根据杠杆原理得:

R与r比值越大,力 f越大,而尖端的 r非常小,所以在螺丝钉尖端将得到非常大的力,体现了轮轴为一省力的简单机械结构.

(2)螺纹的工作原理

(a)螺纹为变形斜面力学原理

图2

如图3所示,螺纹是斜面的变形,螺纹就像包裹在圆柱体外的斜面,现在对斜面上的P点进行受力分析:P点所受的力如图2中的 f,沿圆的切线方向,把 f分解为垂直斜面向上和沿斜面向下的两个分力f1、f2,如图4所示,斜面上的其他物点可以作同样受力分析,现把垂直于斜面的分力求合力为 f1合,沿斜面向下的分力求合力为 f2合,可见 f1合作用于受力物体有使受力物体向上运动的效果,而f2合有使螺丝钉向下运动的效果,f2合在螺丝钉尖端再次合成为沿螺身轴线向下的力,由于尖端面积小、压强较大,使螺丝钉更容易钻入物体中.

图3

(b)螺纹为斜面的延伸

螺纹可以用来举起物体,螺纹就像一条螺旋状的山路,螺纹越密,螺距越小,斜面的倾角越小,就越省力.如果利用一字起将螺帽顺时针转一圈,螺丝钉就会上升一个螺距h(两个螺纹间的距离为一个螺距),则物体上升 n个螺距时,外力对螺帽做的功为

图4

N个螺距重力做的功为

根据机械能守恒定律得到

(c)神奇的右螺旋

仔细观察图1螺纹的旋进方向,可以总结出右手螺旋定则,即伸出右手,握住螺丝钉,四指环绕的方向为螺纹旋进的方向,那么大拇指所指的方向为螺丝钉前进的方向,据此可以判断:顺时针方向旋转时前进,逆时针方向旋转时后退.

(d)螺纹的其他作用

①螺纹本身侧面积小,易粉碎周围物质,有利于在物体中前进;

②当螺丝钉钻入物体中后,它的螺纹又有固定螺丝钉的作用,很难直接拔出,但可以旋出.

3 右螺旋广泛的应用

(1)法国科学家安培提出了右手螺旋定则来判断电流周围的磁场方向.

(a)直线电流的磁场:右手握住导线,让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向.

(b)环形电流的磁场:让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上的磁感线的方向.

(c)通电螺线管的磁场:右手握住螺线管,弯曲的四指指向电流环绕的方向,大拇指所指的方向为螺线管内的磁场方向.

(2)右螺旋使机械设备的效率极高、用途极广,阿基米德螺旋机是最早的螺旋机械之一,根据螺纹旋转的方向可以用右手螺旋定则来判断传输的方向,当时的人们用它来把水从低位升到高位.再如根据电风扇叶片的旋转方向可以用右手螺旋定则判断风的运动方向;由螺旋桨的旋转方向来判断水流的方向从而确定推动船是前进还是后退.

(3)生物右螺旋,如藤茎植物绕树木的攀爬路径,食物顺食道的物流路径,血管中血液的流动路径等都是神奇的右螺旋,我们也可以由右手螺旋定律来判断其运行方向.河里的螺丝贝壳也是呈右螺旋,在河底,螺尖朝上由右手螺旋定律判断的方向与水的重力方向相反,使它能承受更重的力,同时不易被捕食者拔出.在此右螺旋被螺丝巧妙地用以保护自己.

这种右螺旋神奇的“力量”已经被人类和生物广泛利用,相信随着科学技术的发展,它将会发挥更多的神奇作用. (收稿日期:2010-01-29)