1.像
螺蛳壳纹理的曲线形。螺旋是一种像螺线及螺丝的扭纹曲线,为一种在生物学上常见的形状,例如在
DNA及多种
蛋白质均可发现这种结构。螺旋分为左旋和右旋。从螺旋中心沿轴线望去,如果螺旋由近至远为
逆时针方向,便是左旋,相反则是右旋。大部份螺丝的螺旋是右旋,但在
生物结构上左旋和右旋均常见。判断左旋右旋可以用手比对:握拳竖起的
大拇指指向轴线方向,假想螺旋是沿着四指方向环绕轴线的,若螺旋延伸的方向和左手大拇指一致则螺旋为左手螺旋,反之为
右手螺旋。
根据功的原理,在动力F作用下将
螺杆旋转一周,F对螺旋做的功为F2πL。
螺旋转一周,重物被举高一个螺距(即两螺纹间竖直距离),螺旋对重物做的功是Gh。依据功的原理得F=(h/2πL)/G。因为螺距h总比2πL小得多,若在螺旋把手上施加一个很小的力,就能将重物举起。螺旋因
摩擦力的缘故,效率很低。即使如此,其力比G/F仍很高,距离比由2πL/h确定。螺旋的用途一般可分紧固、传力及传动三类。
螺旋结构是自然界最普遍的一种形状,
DNA以及许多其它在
生物细胞中发现的微型结构都采用了这种构造。然而,为何大自然对这种结构如此偏爱呢?美国
宾夕法尼亚州的物理学家认为,他们找到了这一问题的数学答案。他们的研究成果发表在近期的《科学》杂志上。
“为何螺旋结构是现在这个样子?过去的回答是——由分子之间的引力决定的。但这只能回答螺旋结构是如何形成的,而不能回答为什么它们是那种形状。”宾州大学的天文和物理学系教授兰德尔·卡缅指出,“从本质上来看,
螺旋结构是在一个拥挤的空间,例如一个细胞里,聚成一个非常长的分子的较佳方式,譬如DNA。”
在细胞的稠密环境中,长分子链经常采用规则的螺旋状构造。这不仅让信息能够紧密地结合其中,而且能够形成一个表面,允许其它微粒在一定的间隔处与它相结合。例如,
DNA的双螺旋结构允许进行DNA转录和修复。
为了显示空间对螺旋形成的重要性,卡缅建立了一个模型,把一个能随意变形、但不会断裂的管子浸入由硬的球体组成的混合物中,就好比是一个存在于十分拥挤的细胞空间中的一个分子。通过观测,他们发现对于这种短小易变形的管子而言,Ц形结构的形成所需的能量最小,空间也最少。而螺旋当中的Ц形结构,在
几何学上最近似于在自然界的螺旋中找到的该种结构。
“ 看来,分子中的
螺旋结构是自然界能够最佳地使用手中材料的一个例子。DNA由于受到细胞内的空间局限而采用
双螺旋结构,就像是由于公寓空间局限而采用螺旋梯的设计一样。”卡缅指出。
在
圆柱体的侧表面上刻出
螺旋形沟槽的机械。也可把螺旋看成是
斜面绕在圆柱体上而构成,因此,螺旋应用了斜面原理。螺旋的特点是能把转动变成平动或者相反。在古代,人们就应用螺旋。
阿基米德就发明了用螺旋从
尼罗河中向上
提水,就是用了著名的
阿基米德螺旋(图1)。
螺旋可用于传动和锁紧。实际使用的螺旋有方形、
三角形、梯形、锯齿形等各种不同形状的螺纹(图2),各有不同用途,作为传动用的螺旋多为方形螺纹。
从图3的螺旋和螺母中可以得出螺旋的
机械效率: