螺旋 (簡單機械)

螺旋通常是表面具有凹凸不平呈螺旋線型條紋的圓柱體或圓孔體，稱這種圓柱體為「螺桿」、圓孔體為「螺母」、螺旋線型條紋為「螺紋」。螺桿的螺紋稱為「外螺紋」，螺桿分為「外螺紋」與「桿軸」兩部分。螺母的螺紋稱為「內螺紋」。內外螺紋互相匹配的螺母與螺桿共同組成一對「螺旋副」。

螺旋機制能夠將旋轉運動變換為、將力矩變換為直線力。藉著這傳遞作用力的機制，作用力可以被放大，施加較小的旋轉力（力矩）於桿軸可以變換為較大的軸向力。螺距是兩條鄰近螺紋之間的軸向距離。螺距越小，則機械利益越大，即輸出力與輸入力的比例越大。

設想一組螺旋副，其固定不動的螺母緊套在可移動螺桿的外圍，當扭轉螺桿時，相對於固定不動的螺母，螺桿會順著螺紋做旋轉運動，同時沿著桿軸以直線通過螺母，這整個運動稱為「螺轉運動」。應用螺旋機制，螺桿可以做螺轉運動通過固定不動的螺母。例如，用力扭轉木螺釘可以促使其鑽入木材。逆反過來，螺母可以做螺轉運動通過固定不動的螺桿。

有些應用螺旋機制的機械，並不一定具有桿軸或螺紋。例如，阿基米德式螺旋抽水機是一種水泵，藉著螺旋曲面繞著旋轉軸做旋轉運動，將水從低處傳往高處，是一條端點尖銳的螺旋形狀粗鐵絲，扭轉其把柄會促使粗鐵絲因螺轉運動鑽入酒瓶的木塞蓋。

應用螺旋機制，將兩個物件緊固在一起。例如，容器的、虎鉗、螺旋千斤頂、等等。

歷史
定義螺旋為一種圍繞著圓柱的斜面形成的簡單機械。]]
螺旋是六種簡單機械之中最晚發明的一種。螺旋最早出現於古希臘時期。歷史學者認為阿基米德或（428 - 347 BC）可能是螺旋的發明者。，大約在西元前1世紀或2世紀，古希臘人已經在使用螺旋壓榨機。，歷史學者歸功阿基米德大約西元前234年發明了阿基米德式螺旋抽水機，雖然有證據顯示這機械可能是從埃及流傳過來的。阿基米德開啟研究螺旋的運動學。亞歷山卓的希羅（西元10－70年）定義螺旋為一種圍繞著圓柱的斜面形成的簡單機械，並且描述製造與使用的方法，以及使用切削螺母的內螺紋的方法。

1400年左右，人們想出了應用螺旋機制於挖掘與傳輸物質用途，這可以從歐洲油畫裏查覺──鑽孔器開始出現於這些油畫。15－16世紀，由於發展成功，越來越多精心設計的機械成功地被製成。

螺旋特点
与其他的回转运动区别特点为以下部分：

• 结构简单，仅需内外螺纹组成螺旋副；
• 降速比重大，可以实现微调与大幅度调整的迅速切换；
• 省力，主动件不大的力可以在从动件上实现很大的推力；
• 工作连续平稳，无噪声。

螺距與導程
按照螺牙的大小，螺紋可以分為「粗牙螺紋」與「細牙螺紋」，這是由兩個密切相關數量來定義：
*「螺距」定義為鄰近兩條螺紋之間的軸向距離。

「單紋螺旋」的螺距與導程相等，單紋螺旋的螺桿只具有單獨一條螺旋線圍繞在桿軸外面。「多紋螺旋」的螺距與導程不相等，多紋螺旋具有多條的螺旋線圍繞在桿軸外面。對於這些螺旋，導程等於螺距乘以螺旋線數量。當要求較長的導程時，通常會使用多紋螺旋。例如，瓶子的瓶蓋。

旋轉方向
螺旋的螺紋，按照螺旋線方向，可以朝著兩種方向旋轉。大多數螺旋的螺紋遵守順時針方向，從螺旋的任意一端朝軸桿看去，假若將螺旋以順時針方向旋轉，則右旋螺旋會移動離開觀看者。「右旋螺旋」遵守右手定則：將右手手指朝著旋轉方向握緊桿軸，伸直大拇指，則大拇指會指向桿軸直線移動的方向。反之，「左旋螺旋」遵守反時針方向，從螺旋的任意一端朝軸桿看去，假若將螺旋以反時針方向旋轉，則左旋螺旋會移動離開觀看者。左旋螺旋遵守左手定則。將左手手指朝著旋轉方向握緊桿軸，伸直大拇指，則大拇指會指向桿軸直線移動的方向。

對於右撇子而言，使用螺絲起子來扭緊右旋螺旋比扭緊左旋螺旋容易，因為這動作使用的是施力較大的，而不是具有施力較小的旋前肌。由於大多數人是右撇子，螺紋緊固器標準規定螺紋為右旋螺紋。

自鎖性質
由於在螺紋與螺紋之間，有大面積的滑動接觸面，大多數螺旋機械會具有「自鎖性質」──施加力矩於桿軸會促使桿軸旋轉，但是逆反過來，對著軸桿施加軸向負載力，並不會促使螺桿逆旋轉。這性質與其它一些簡單機械明顯不同，那些簡單機械不具自鎖性質，假若負載力足夠大，則那些簡單機械會朝逆反方向運動，那些簡單機械可以雙向運作。例如，槓桿就是一種可以雙向運作的機械；假若作用於抗力點的負載力過大，則槓桿會朝逆反方向運動，做功於施力（施力會做負功）。大多數螺旋機械都設計為具有自鎖性質，假若沒有力矩作用於桿軸，則會停止不動。但是，有些螺距較長、潤滑良善的螺旋機械不具有自鎖性。

是少數幾種以逆反方式使用螺旋機制的工具，將直線運動變換為旋轉運動。這工具的螺旋線型螺紋具有很大的螺距。將螺絲起子的尖端對入螺絲釘的頂部凹坑，朝著螺絲釘方向施加壓力，軸桿會旋轉，從而扭轉螺絲釘。]]
少數幾種螺旋機械，例如手推式螺絲起子（一種靠人力為動力來源的鑽孔器），以逆反方式使用螺旋。假設，對著軸桿施加軸向負載力，則螺桿會旋轉。

由於具有這種自鎖性質，像木螺釘，板金釘、螺栓與螺帽等等的用途很廣泛。將緊固器用力扭轉緊固，可以施加壓縮力於兩個被緊固的物件，而對於這兩個物件施加的作用力很難將緊固器轉鬆。這性質也是、虎鉗、、等等機械的運作原理。施力扭轉千斤頂的桿軸可以升高重物，但當不再施力後，桿軸會停滯於同樣的高度。

螺旋具有自鎖性質若且唯若機械效率\eta低於50%：

:\eta = \frac {F_{out}/F_{in}}{d_{in}/d_{out}} = \frac {F_{out}}{F_{in}} \frac {l} {2 \pi r} 。

螺旋是否具有自鎖性質與螺紋的螺角和摩擦係數有關；假設潤滑良善、低摩擦的螺紋具有足夠大的螺角，則這螺旋機械可能會朝逆反方向運動。

參閱
參考文獻