С точки зрения техники винт (болт, шуруп) – это крепёжная деталь цилиндрической формы, на которую по спирали наложена резьба, то есть ряд чередующихся канавок и выступов. Винт можно представить как наклонную плоскость, обёрнутую вокруг цилиндра. Поэтому с точки зрения физики винт – это разновидность простого механизма «наклонная плоскость», в результате чего винты (болты, шурупы) можно использовать для преобразования движения и силы. Если наклонная плоскость преобразовывает одно прямолинейное движение в другое (например, движение по горизонтали в движение под углом к горизонту), то винт преобразовывает непрямолинейное (вращательное) движение в прямолинейное, например, стягивая соединяемые детали.

Изобретение винта приписывается великому древнегреческому учёному Архимеду (287-212 гг. до н.э.). Что же представляет собой винт Архимеда? Это спираль с очень крупной резьбой, помещённая внутрь цилиндра (см. рисунок). При вращении винта выступы его резьбы зачёрпывали жидкость и увлекали её по цилиндру. В итоге вода выливалась через верхний открытый конец. Таким образом, поместив один конец цилиндра в воду, а другой расположив выше, жидкость подавали на более высокий уровень, приводя винт во вращение.

Подобный архимедов винт применялся для подъёма воды при орошении территорий и для осушения шахт, трюмов кораблей, низин и заболоченных мест. Немаловажным достоинством было то, что подобным способом поднимали как чистую жидкость, так и её смесь с землёй, песком, илом. Кроме того, это устройство также использовалось для «кражи» территорий у моря и создания искусственных островов. На фотографии показаны современные архимедовы винты, используемые для осушения земель в Голландии. Архимедовы винты можно увидеть в «пескалаторах», предназначенных для безопасного подъёма рыбы из прудов для последующей её перевозки в другое место. Эта технология применяется в рыбопитомниках для уменьшения грубого обращения с живой рыбой.

Винты со стержнем немного заострённой формы и крупным шагом резьбы называют шурупами. Это слово происходит от немецкого «шраубэ» – винт, вворачиваемый в дерево или другой мягкий материал, в котором шуруп сам формирует резьбу. Возможность ввёртывания в материал шуруп получает за счёт «высокой» резьбы, которая присутствует на заострённом стержне шурупа. Размеры и внешний вид шурупов разнообразны в зависимости от требований к монтируемой конструкции и внешнему виду изделия.

Болты – это винты, предназначенные для создания прочного разъёмного соединения нескольких деталей, в которых есть отверстия, чуть большие диаметра болта. Отверстия совмещают, болт вставляют в отверстие и накручивают гайку. Для более надёжного соединения под головку болта и гайку подкладывают шайбы из мягкого металла. Чтобы представить, какую важную роль в технике играют разного рода болты, отметим, что в стиральной машине их около 120, грузовом железнодорожном вагоне – 1200, легковом автомобиле – 3500, самолёте – 1500000 штук!

Это были технические аспекты разных форм винтов и их применений. Рассмотрим теперь аспекты физические. Винт чаще всего используется как приспособление для получения выигрыша в силе, поскольку резьба – это наклонная плоскость. Представим, что наклонную плоскость высотой h и длиной l «обмотали» вокруг цилиндра (см. рисунок). Поворачивая гайку, вы передвигаете её по наклонной плоскости. Без учёта трения выигрыш в силе F1/F2 оказывается равным отношению l/h, так как это отношение расстояния h, на которое перемещается нагрузка, к расстоянию l, проходимому точкой приложения усилия. И, поскольку гипотенуза всегда больше катета, наклонная плоскость даёт выигрыш в силе.

Рассмотрим это более подробно на примере винта и шурупа равных диаметров. Очевидно, шуруп, имея больший шаг резьбы, даёт нам меньший выигрыш в силе. Винт, предназначенный для создания надёжного крепления, имеет гораздо меньшее расстояние между соседними гребнями резьбы, поэтому даёт ощутимо больший выигрыш в силе. Это так потому, что выигрыш в силе тем больше, чем меньше угол наклона плоскости. Для сравнения: горные дороги имеют вид серпантина, и чем меньше его крутизна, тем легче по такой дорогое подниматься.

При закручивании шурупа в доску или при стягивании болтом деталей приходится преодолевать настолько большие силы трения, что невооружённой рукой это сделать невозможно. То есть выигрыша в силе, получаемого с помощью винта/шурупа, недостаточно, и нам приходится использовать ещё и рычаги: отвёртки с толстыми рукоятками или гаечные ключи с длинными концами. В идеале можно получить выигрыш в силе в 10 и более раз, если толстую и/или длинную рукоятку инструмента сочетать с малым шагом резьбы винта и/или шурупа. В этом случае суммарный выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав.

(C) 2013. Щербинина Наталья Геннадьевна (Саратовская область, п.Октябрьский)