機(jī)械工程中的阿基米德螺線探析,機(jī)械工程論文阿基米德螺線廣泛隱藏于自然界里，葡萄等藤莖植物的觸須就是借鑒阿基米德螺線構(gòu)造的柔韌性，使其緊緊纏繞物體，在惡劣環(huán)境中生長(zhǎng)；動(dòng)物世界中的蟒蛇盤繞起來(lái)構(gòu)成的螺線，起到更好的防衛(wèi)和攻擊的作用，在生物微觀細(xì)胞中，起遺傳作用脫氧核糖核酸〔DNA〕就是規(guī)則的螺旋構(gòu)造，利于節(jié)約空間，儲(chǔ)存信息；機(jī)械儀表中鐘表上的發(fā)條工作原理也離不開(kāi)阿基米德螺線。阿基米德螺線最先運(yùn)用于灌溉技術(shù)，古代埃及人利用尼羅河水灌溉農(nóng)田，由于河床低，農(nóng)田地勢(shì)高，只能用水桶提水灌溉，這樣非常浪費(fèi)勞力體力，于是阿基米德利用阿基米德螺線發(fā)明了螺桿，創(chuàng)造了水往高處流的奇跡，因而螺桿也是阿基米德螺旋提水器的最初原型。由于祖先不斷研究改良，如今其已廣泛運(yùn)用于水利灌溉，機(jī)械動(dòng)力，軍事通信等領(lǐng)域。隨著科技快速發(fā)展，阿基米德螺線應(yīng)用與生活實(shí)際也愈加緊湊，在這里，有必要對(duì)其進(jìn)行更深層的系統(tǒng)研究，現(xiàn)就其基本應(yīng)用展開(kāi)討論，希望阿基米德螺線能不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。1阿基米德基本簡(jiǎn)介阿基米德螺線，是一種具有特殊性質(zhì)的螺旋線，假設(shè)點(diǎn)A從O點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)以勻速沿著OA直線方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又以固定的轉(zhuǎn)角速度繞點(diǎn)O螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，俯視而看，點(diǎn)A的軌跡為螺旋狀，這種螺線被命名為阿基米德螺線,由于遠(yuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)中是勻速運(yùn)動(dòng)，因而可以定義為等速螺線.如此圖1所示。阿基米德螺線在平面極坐標(biāo)中的曲線方程：r〔〕=a+b〔〕華而不實(shí)：b為螺旋系數(shù)，單位為mm/，代表曲線每變化1時(shí)，曲線直徑的變化量；為轉(zhuǎn)角，單位為度，代表曲線轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)總和；a為當(dāng)=0時(shí)的極徑，單位為mm.改變數(shù)值a將改變螺線構(gòu)造，b是用來(lái)控制兩相鄰螺線間距的常量。方程有兩條不同方向螺線，分別被0和0分割，且在極點(diǎn)平穩(wěn)光滑連接。假如把華而不實(shí)一條翻轉(zhuǎn)90/270，將會(huì)得到其對(duì)稱曲線，這就是另一條螺線。阿基米德有多條性質(zhì)：若點(diǎn)〔r,〕在r〔〕=a+b〔〕上，則點(diǎn)〔-r,-〕在曲線r〔〕=-a+b〔〕上，這兩條阿基米德螺線關(guān)于/2直線對(duì)稱；螺線相鄰兩臂間距的距離總是等于2阿基米德螺線同時(shí)能夠起到三等分角，化圓為方的作用。可想而知，阿基米德螺線的幾何性質(zhì)，使其在數(shù)學(xué)領(lǐng)域和衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方面地位也十分重要。2阿基米德基本基本應(yīng)用2.1阿基米德螺旋揚(yáng)水器阿基米德螺旋最早引入于1803年，在當(dāng)時(shí)，已經(jīng)使用好幾個(gè)世紀(jì)的阿基米德螺旋泵，它能夠在水平或垂直方向提升水，阿基米德螺旋就是在圓筒裝入一個(gè)大型的螺旋狀物，下端浸入水中，上端以一定角度傾斜放置，在在上端用手動(dòng)或者電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下使密封腔室中的螺桿旋轉(zhuǎn)，螺旋管就會(huì)把下端的水提升上來(lái)，然后水量被擠出上端口，就到達(dá)了把下平面的水提升到上平面灌溉田地的目的，這就是阿基米德螺旋揚(yáng)水器，詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖2所示。隨著科學(xué)發(fā)展，阿基米德?lián)P水器被加以創(chuàng)新改良，如今已經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，發(fā)展為如今高效率的阿基米德螺旋泵如此圖3所示。這類裝置具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如操作簡(jiǎn)單、構(gòu)造維修簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠、流速平穩(wěn)等。2.2螺旋輸送機(jī)螺旋輸送機(jī)工作原理和作用與阿基米德螺旋類似〔圖4〕,具有操作性簡(jiǎn)便，構(gòu)造簡(jiǎn)單、尺寸小而密封性強(qiáng)等特點(diǎn)。這種連續(xù)輸送機(jī)械的詳細(xì)操作就是轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，螺旋狀的光滑葉片就會(huì)把物料沿密封管道輸送到另一端。物料在自重和摩擦力的效果下，不隨葉片旋轉(zhuǎn)，僅在其推動(dòng)力下，平穩(wěn)均勻的沿軸向運(yùn)動(dòng)。由于輸送機(jī)安全可靠、成本低，輸送方向不僅雙向，能夠在兩個(gè)相反的方向同時(shí)輸送，并且在一定的旋轉(zhuǎn)下，物料同時(shí)到達(dá)了攪拌、混合、冷熱加工等作業(yè)的目的，所以螺旋輸送機(jī)在運(yùn)送物料方面也比擬普遍適用。2.3阿基米德螺線之螺絲阿基米德螺線構(gòu)造能夠較好地嵌固物體，螺線齒輪與物體相互咬合，循序漸進(jìn)地緊固物件機(jī)械。如今螺絲釘和螺栓就是利用物體斜面圓形旋轉(zhuǎn)和摩擦力的物理學(xué)和數(shù)學(xué)原理作為一種固定用件，廣泛適用于錨固軌道、托架、管道、管夾、鋼構(gòu)造、門桌、扶梯、欄桿、水電器等承受震動(dòng)重負(fù)荷的建筑構(gòu)件等各種部位，因而阿基米德也被公以為螺絲之父.螺絲釘上的螺旋紋理類似螺栓上的螺旋，能更好的固定物品，就像壁虎能夠緊緊的粘在墻壁上一樣，因而螺絲釘也被稱為壁虎,例如電梯壁虎和管道壁虎等的不同稱號(hào)〔圖5〕.螺絲釘利用廣泛，被不斷改良，作為固定用件已非常普遍，也找到多種方便便宜的生產(chǎn)工藝。2.4阿基米德螺旋天線阿基米德平面螺旋天線，被定義為超寬帶天線的一種形式，能夠高效地實(shí)現(xiàn)寬頻帶，曲線方程為r=r0ea,半徑越大，天線帶線的寬度就越大，假設(shè)帶線寬度是定值，而且相鄰臂間的間隙距離與其相等，這種構(gòu)造的天線就被稱為阿基米德平面螺旋天線。這種天線不僅在軍事領(lǐng)域得到十分關(guān)注，如雷達(dá)、密碼通信等，而且在一些生活領(lǐng)域也表現(xiàn)出宏大作用，如在GSM領(lǐng)域和衛(wèi)星通訊領(lǐng)域的服務(wù)，其構(gòu)造如此圖6、7所示。隨著技術(shù)日新月異，生活節(jié)拍加快，急需通信頻率和信息攜帶量同步發(fā)展，加寬頻帶寬度，因此阿基米德平面螺旋天線得到了高度重視和飛速發(fā)展。超寬帶天線接收信號(hào)能力和抗干擾能力超，是寬帶雷達(dá)裝置和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有極其重要的軍事意義和現(xiàn)實(shí)意義。2.5阿基米德螺線凸輪凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪，桿件、機(jī)械骨架和輔助構(gòu)件組成的機(jī)械。凸輪作連續(xù)等角速旋轉(zhuǎn)，桿件是由使用者使用設(shè)計(jì)，使它到達(dá)某種固定運(yùn)動(dòng)條件〔如直線運(yùn)動(dòng)〕的構(gòu)件。如此圖〔8〕所示，〔a〕、〔b〕、〔c〕是凸輪工作示意圖，〔d〕描繪敘述的是挺桿與凸輪的接觸點(diǎn)位移隨凸輪旋轉(zhuǎn)角度變化的關(guān)系曲線圖，能夠看出在ab和cd的經(jīng)過(guò)中，接觸點(diǎn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。由于阿基米德螺線凸輪做勻角速度旋轉(zhuǎn)，致使與之接觸的挺桿作上下勻速直線運(yùn)動(dòng)，如此圖8所示。由于凸輪的特殊功能，凸輪在機(jī)床制造、刀具打磨、電影制片、內(nèi)燃機(jī)機(jī)械、雕刻、包裝設(shè)備等各種自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械裝置中都被引進(jìn)利用。2.6螺旋槳螺旋槳就是利用槳葉在空氣或水中連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化為物體推進(jìn)動(dòng)力的機(jī)械，由多個(gè)葉與轂連接，葉的向后面是螺旋面或類似螺旋面的一種推進(jìn)裝置，是阿基米德螺線的一種延伸應(yīng)用。其詳細(xì)形狀如此圖9所示，螺旋槳外表光滑有曲線，旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)流水后退，而產(chǎn)生向前的推動(dòng)力。螺旋槳形狀大同小異，應(yīng)用也相對(duì)廣泛，例如船舶、飛機(jī)的推進(jìn)器等。1683年，科學(xué)家虎克就成功地提出了新的推進(jìn)器-推進(jìn)船舶，大大提高輪船的驅(qū)動(dòng)推進(jìn)效率。螺旋式構(gòu)造能提水的發(fā)現(xiàn)，是作為發(fā)明推進(jìn)器的最初啟示，阿基米德螺旋槳的專利最早是在1829年于英國(guó)被申請(qǐng)，在這里基礎(chǔ)上一些民用的螺旋槳陸續(xù)被發(fā)明。1843年，螺旋槳初次代替明輪運(yùn)用到軍艦雷特勒號(hào)上，隨后參加各種大小戰(zhàn)爭(zhēng)。在民用船中，就如此圖10所示客渡輪船槳，槳直徑為6.1m,軸功率為15640kw,航速為約23.2節(jié)；而化學(xué)品船的大側(cè)斜螺旋槳，槳直徑6.2m,軸功率為10400kw,航速約16.7節(jié)。螺旋槳體積小，節(jié)省艙室空間，堅(jiān)固光滑，與水互相作用經(jīng)過(guò)流暢有力，有效應(yīng)力大，推動(dòng)力強(qiáng)，提高了船舶總體性能，如今螺旋槳在航海領(lǐng)域正在被進(jìn)一步的深切進(jìn)入研究討論，在生活中也是必不可少的動(dòng)力推進(jìn)器。3結(jié)論阿基米德螺線的應(yīng)用非常的廣泛，自然界蔦蘿、紫藤、牽?；ǖ戎参锏膹椈蔂钋o條，螺類生物的外殼，飛機(jī)、大船的螺旋槳，甚至連小小的螺絲釘和蚊香等，那都是阿基米德螺線的后代，其在數(shù)學(xué)教育、軍事通信、提水灌溉、輪船等領(lǐng)域中都有著至關(guān)重要的地位，通過(guò)對(duì)阿基米德螺線這種具有特殊性質(zhì)的螺線在機(jī)械工程應(yīng)用的研究討論，希望讀者能夠令其在機(jī)械工程中進(jìn)一步被開(kāi)發(fā)利用，以便更好的服務(wù)實(shí)際生活，為社會(huì)做出更大奉獻(xiàn)。以下為參考文獻(xiàn)：[1]郭惠媛，姜畔。淺談阿基米德螺線[D].北京：北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，2018.[2]石磊，傅佑麗。生命中的螺旋[J].世界科學(xué)，2005〔2〕:18-21.[3]王明華，楊繼緒。阿基米德螺線的性質(zhì)與應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，1989〔7〕:9-10.[4]陸林廣，張仁田。當(dāng)代阿基米德螺旋泵簡(jiǎn)介[J].水泵技術(shù)，1996〔8〕:19-21.[5]李連輝。自補(bǔ)型阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計(jì)與分析[J].遙測(cè)遙控，2003〔8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