Типом простой машины, сходным с клином по принципу действия, является винт (рис. 1). Винт и навинченная на него гайка имеют винтовую резьбу; при вращении винта гайка перемещается вдоль него.
Рисунок 1. Винт с гайкой, $h$ - шаг винта
Чтобы наглядно представить себе один виток резьбы винта, надо вообразить прямоугольный треугольник, навитый на цилиндр (рис. 2). Катет АВ равен шагу винта, т. е. расстоянию, на которое переместится гайка при полном обороте винта, а катет ВС представляет собой длину окружности основания того цилиндра, на который нанесена резьба винта. Гипотенуза АС представляет собой край одного оборота резьбы винта; к ней прилегает край одного оборота резьбы гайки А'С'.
2. Винт как треугольник, навитый на цилиндр
Длина окружности ВС=2$\pi $r, где r - радиус цилиндра. При вращении винта резьба его нажимает на резьбу гайки и заставляет ее двигаться вдоль оси винта. Силами трения между винтом и гайкой часто можно пренебречь (так как их поверхности тщательно шлифуются и густо смазываются). Поэтому силы давления между винтом и гайкой направлены практически перпендикулярно к плоскости их соприкосновения. Со стороны винта на гайку действует сила $F_1$ а со стороны гайки на винт - равная ей по величине сила $F_2$. Вращая винт, нужно преодолевать составляющую силы $F_2$, направленную против движения винта, т. е. силу $f_2$. При этом в направлении оси винта на гайку действует составляющая силы $F_1$ т. е. сила $f_1$; при заданном значении $f_1$ составляющая $f_2$ тем меньше, чем меньше угол $a$. Соотношение между силами получается таким же, как для клина с углом при основании, равным а. Таким образом, угол клина, эквивалентного винту, определяется шагом винта и его диаметром. Винты, эквивалентные острому клину, делаются толстыми (большое $r$) и с малым шагом (малое $h$). Таковы, например, винты у домкрата - простого приспособления для подъема тяжестей, действие которого понятно из рис. 3.
Рисунок 3. Домкрат
Винты применяются во всевозможных приспособлениях для сдавливания или крепления (болты, шурупы для дерева и т. д.). Во всех этих случаях сравнительно небольшой внешней силой можно создать большую силу давления.
Корпус системного блока мини-компьютера состоит из крышки и основания. Обе детали отливают из специальной пластмассы. Для крепления крышки к основанию используют винты-саморезы. По периметру основания расположены выступы с отверстиями. При сборке крышки с основанием винты-саморезы вкручивают в эти выступы. При вкручивании винт-саморез, за счет пластической деформации пластмассы, нарезает резьбу в отверстии выступа. Крепление крышки к основанию с помощью саморезов удовлетворительное до тех пор, пока, в случае ремонта «начинки» мини-компьютера, не приходиться многократно вкручивать-выкручивать винт. Происходит разрушение резьбы в отверстии. Крепление ослабляется. Это может привести к нарушению функционирования мини-компьютера.
Как избежать преждевременного разрушения резьбы?
Рисунок 4
Ответ: Нагреть предварительно винт-саморез до температуры размягчения пластмассы (но не расплавления!). Затем вкрутить винт в отверстие. За счет механического поля происходит формирование резьбы, а за счет теплового поля происходит ее размягчение с последующим упрочнением.
Длина ручки винта ручного пресса $l$ = 30 см, шаг винта (перемещение винта вдоль его оси при полном обороте) $h$ = 5 мм. Какова будет сила $F_2$ давления пресса, если, закручивая винт, прикладывать к концу ручки силу $F_1$ = 200 Н?
Решение
Рисунок 5. Винтовой пресс
За один оборот конец ручки винта пройдёт путь $S=2\pi l$, а винт переместится вдоль вертикальной оси на расстояние $h$. Следовательно, сила, приложенная к концу ручки, совершила работу $A_1=2\pi lF_1$, а работа силы давления пресса составит $A_2=hF_2$.
Согласно «золотому правилу механики», $А_1 = А_2$.
Получаем: $2\pi lF_1=hF_2$, откуда находим $F_2$:
\[F_2=\frac{2\pi lF_1}{h}=\ \frac{2\cdot 3.14\cdot 0.3\cdot 200}{0.005}=75.4\ кН\]Ответ: Сила давления пресса 75,4 кН.
