آليات لولبية

البرغي آلية تحول الحركة الدورانية إلى حركة خطية ، وعزم الدوران (القوة الدورانية) إلى قوة خطية . ^{[ 1 ]} وهو أحد الآلات البسيطة الست الكلاسيكية . يتكون الشكل الأكثر شيوعًا من عمود أسطواني ذي أخاديد أو نتوءات حلزونية تُسمى اللوالب على سطحه الخارجي. ^{[ 2 ] [ 3 ]} يمر البرغي عبر ثقب في جسم أو وسط آخر، وتتشابك اللوالب الموجودة داخل الثقب مع لوالب البرغي. عندما يدور عمود البرغي بالنسبة للولب الثابت، يتحرك البرغي على طول محوره بالنسبة للوسط المحيط به؛ فعلى سبيل المثال، يؤدي تدوير برغي خشبي إلى دفعه داخل الخشب. في آليات البرغي، إما أن يدور عمود البرغي عبر ثقب ملولب في جسم ثابت، أو أن يدور طوق ملولب، مثل الصامولة، حول عمود البرغي الثابت. ^{[ 4 ] [ 5 ]} هندسيًا، يمكن اعتبار البرغي مستوىً مائلًا ضيقًا ملفوفًا حول أسطوانة . ^{[ 1 ]}

كغيرها من الآلات البسيطة، يُمكن للبرغي تضخيم القوة؛ إذ يُمكن لقوة دوران صغيرة ( عزم دوران ) على العمود أن تُؤثر بقوة محورية كبيرة على الحمل. وكلما صغرت خطوة البرغي (المسافة بين أسنانه)، زادت الفائدة الميكانيكية (نسبة القوة الناتجة إلى القوة المُدخلة). تُستخدم البراغي على نطاق واسع في أدوات التثبيت الملولبة لربط الأشياء معًا، وفي أجهزة مثل أغطية البرغي للحاويات، والملاقط ، والرافعات اللولبية ، والمكابس اللولبية .

لا تحتوي الآليات الأخرى التي تستخدم المبدأ نفسه، والتي تُسمى أيضًا بالبراغي، بالضرورة على عمود أو أسنان لولبية. على سبيل المثال، مفتاح الفلين عبارة عن قضيب حلزوني الشكل ذي طرف حاد، ومضخة أرخميدس هي مضخة مياه تستخدم حجرة حلزونية دوارة لنقل الماء إلى أعلى التل. ويتمثل المبدأ المشترك لجميع البراغي في أن الحلزون الدوار يُمكن أن يُحدث حركة خطية.

كان البرغي من آخر الآلات البسيطة التي تم اختراعها. ^{[ 6 ]} ظهر لأول مرة في بلاد ما بين النهرين خلال العصر الآشوري الحديث (911-609 قبل الميلاد)، ^{[ 7 ]} ثم ظهر لاحقًا في مصر القديمة واليونان القديمة . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تشير السجلات إلى أن اللولب المائي ، أو المضخة اللولبية ، استُخدم لأول مرة في مصر القديمة، ^{[ 10 ] [ 11 ]} قبل فترة من وصف الفيلسوف اليوناني أرخميدس لمضخة الماء اللولبية الخاصة به حوالي عام 234  قبل الميلاد. ^{[ 12 ]} كتب أرخميدس أول دراسة نظرية عن اللولب كآلة، ^{[ 13 ]} ويُعتقد أنه أدخل اللولب إلى اليونان القديمة. ^{[ 9 ] [ 14 ]} وبحلول القرن الأول قبل الميلاد، استُخدم اللولب في شكل مكبس لولبي ولولب أرخميدس. ^{[ 10 ]}

عرّف الفلاسفة اليونانيون البرغي بأنه أحد الآلات البسيطة ، وتمكنوا من حساب ميزته الميكانيكية (المثالية) . ^{[ 15 ]} فعلى سبيل المثال، ذكر هيرون الإسكندري (52 م) البرغي كواحد من الآليات الخمس التي يمكنها "تحريك الحمل"، وعرّفه بأنه سطح مائل ملفوف حول أسطوانة، ووصف طريقة تصنيعه واستخداماته، ^{[ 16 ]} بما في ذلك وصفه لولبًا لقطع أسنان لولبية أنثوية. ^{[ 8 ] : ص 81}

نظرًا لأن شكلها الحلزوني المعقد كان يتطلب قطعًا يدويًا شاقًا، فقد اقتصر استخدام البراغي على وصلات في عدد قليل من الآلات في العالم القديم. ولم يبدأ استخدام مثبتات البراغي إلا في القرن الخامس عشر  في صناعة الساعات، بعد تطوير مخارط قطع البراغي . ^{[ 8 ] : ص 80.} ويبدو أن البرغي استُخدم أيضًا في عمليات الحفر ونقل المواد (إلى جانب الماء) في ذلك الوقت تقريبًا، عندما بدأت صور المثاقب والحفارات بالظهور في اللوحات الأوروبية. ^{[ 12 ]} وقد وضع العالم الإيطالي غاليليو غاليلي النظرية الديناميكية الكاملة للآلات البسيطة، بما في ذلك البرغي، عام 1600 في كتابه "الميكانيكا". ^{[ 9 ] : 163 [ 17 ]}

يتم تحديد دقة أو خشونة خيوط البرغي من خلال كميتين مرتبطتين ارتباطًا وثيقًا: ^{[ 5 ]}

• يُعرَّف التقدم بأنه المسافة المحورية (الموازية لمحور البرغي) التي يقطعها البرغي في دورة كاملة (360 درجة) حول العمود. ويحدد التقدم الفائدة الميكانيكية للبرغي؛ فكلما قل التقدم، زادت الفائدة الميكانيكية. ^{[ 18 ]}
• يتم تعريف الخطوة بأنها المسافة المحورية بين قمم الخيوط المتجاورة .

في معظم البراغي، التي تُسمى براغي " البداية الواحدة "، والتي تحتوي على لولب واحد ملفوف حولها، يكون كل من الخطوة والخطوة متساويين. ويختلفان فقط في براغي " البدايات المتعددة "، التي تحتوي على عدة لوالب متشابكة. في هذه البراغي، تكون الخطوة مساوية للخطوة مضروبة في عدد البدايات . تُستخدم براغي البدايات المتعددة عندما تكون هناك حاجة إلى حركة خطية كبيرة لدوران معين، على سبيل المثال في أغطية الزجاجات وأقلام الحبر الجاف .

يمكن أن يلتف لولب البرغي في اتجاهين محتملين، وهو ما يُعرف بالاتجاهية . تُوجّه معظم لوالب البراغي بحيث يتحرك ساق البرغي بعيدًا عن الناظر (أي أن البرغي مُحكم) عند تدويره باتجاه عقارب الساعة ، وذلك عند النظر إليه من الأعلى . ^{[ 19 ] [ 20 ]} يُعرف هذا النوع من اللوالب باللولب الأيمن ( RH )، لأنه يتبع قاعدة مسكة اليد اليمنى : فعندما تُلف أصابع اليد اليمنى حول ساق البرغي في اتجاه الدوران، يشير الإبهام إلى اتجاه حركة الساق. أما اللوالب التي تُوجّه في الاتجاه المعاكس فتُعرف باللولب الأيسر ( LH ).

بحسب المتعارف عليه، يُعتبر اتجاه اللولبة يمينياً هو الاتجاه الافتراضي. ^{[ 19 ]} لذا، فإن معظم الأجزاء والمثبتات الملولبة ذات لولبة يمينية. أحد أسباب شيوع استخدام اللولبة اليمينية هو أن ربط برغي يمينياً باستخدام مفك البراغي أسهل بالنسبة للشخص الأيمن من ربط برغي يساري، لأنه يستخدم عضلة الكبّ الأقوى في الذراع بدلاً من عضلة الاستلقاء الأضعف . ^{[ 19 ]} وبما أن معظم الناس يستخدمون اليد اليمنى، فقد أصبحت اللولبة اليمينية هي المعيار في المثبتات الملولبة.

تُعدّ وصلات البراغي في الآلات استثناءً؛ إذ يمكن أن تكون يمنى أو يسرى حسب التطبيق الأنسب. كما تُستخدم خيوط البراغي اليسرى في بعض التطبيقات الأخرى.

• حيث يؤدي دوران العمود إلى ارتخاء الصامولة التقليدية ذات اللولبة اليمنى بدلاً من إحكام ربطها بسبب التذبذب الناتج عن الاحتكاك . ومن الأمثلة على ذلك:
  • الدواسة اليسرى في الدراجة الهوائية . ^{[ 19 ] [ 21 ]}
  • المسمار الأيسر الذي يثبت شفرة المنشار الدائري أو عجلة آلة التجليخ .
• في بعض الأجهزة التي تحتوي على خيوط لولبية في كلا الطرفين، مثل مشابك الشد وأجزاء الأنابيب القابلة للإزالة، تحتوي هذه الأجزاء على خيط لولبي يميني وآخر يساري، بحيث يؤدي تدوير القطعة إلى شد أو فك كلا الخيطين في الوقت نفسه.
• في بعض وصلات إمداد الغاز، يُستخدم هذا الأسلوب لمنع التوصيلات الخاطئة الخطيرة. على سبيل المثال، في لحام الغاز، يتم توصيل خط إمداد الغاز القابل للاشتعال بخيوط لولبية يسارية، حتى لا يتم تبديله عن طريق الخطأ مع خط إمداد الأكسجين، الذي يستخدم خيوطًا لولبية يمينية.
• ولجعلها عديمة الفائدة للجمهور (وبالتالي تثبيط السرقة)، يتم استخدام المصابيح الكهربائية ذات الاتجاه الأيسر في بعض محطات السكك الحديدية ومترو الأنفاق . ^{[ 19 ]}
• يُقال إن أغطية التوابيت كانت تُثبّت تقليديًا بمسامير يسارية. ^{[ 19 ] [ 22 ] [ 23 ]}

تُستخدم أشكال (ملامح) مختلفة من الخيوط في البراغي المستخدمة لأغراض مختلفة. وتُوحّد خيوط البراغي لضمان توافق الأجزاء المصنعة من قبل مختلف الشركات المصنعة.

زاوية الخيط

زاوية السن اللولبي هي الزاوية المحصورة ، المقاسة عند مقطع موازٍ للمحور، بين وجهي ارتكاز السن اللولبي. الزاوية بين قوة الحمل المحوري والعمودي على سطح الارتكاز تساوي تقريبًا نصف زاوية السن اللولبي، لذا فإن زاوية السن اللولبي تؤثر بشكل كبير على الاحتكاك وكفاءة البرغي، بالإضافة إلى معدل التآكل وقوته. كلما زادت زاوية السن اللولبي، زادت الزاوية بين متجه الحمل والعمودي على السطح، وبالتالي زادت القوة العمودية المطلوبة بين السنين لتحمل حمل معين. لذلك، فإن زيادة زاوية السن اللولبي تزيد من الاحتكاك والتآكل في البرغي.

عند تعرض سطح التحميل المائل المواجه للخارج لقوة الحمل، فإنه يُطبّق أيضًا قوة شعاعية (خارجية) على الصامولة، مما يُسبب إجهاد شد . تزداد قوة التمزق الشعاعية هذه مع ازدياد زاوية اللولب. إذا كانت مقاومة الشد لمادة الصامولة غير كافية، فإن الحمل الزائد على صامولة ذات زاوية لولب كبيرة قد يؤدي إلى انشقاقها.

تؤثر زاوية الخيط أيضًا على قوة الخيوط؛ فالخيوط ذات الزاوية الكبيرة لها جذر عريض مقارنة بحجمها وهي أقوى.

• بسبب خاصية القفل الذاتي (انظر أدناه)، يستخدم البرغي على نطاق واسع في أدوات التثبيت الملولبة لربط الأشياء أو المواد معًا: برغي الخشب ، برغي الصفائح المعدنية ، المسمار ، والبرغي والصامولة .
• تُعد خاصية القفل الذاتي أيضًا مفتاحًا لاستخدام البرغي في مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى، مثل مفتاح الفلين ، وغطاء الحاوية ذي الغطاء اللولبي ، ووصلة الأنابيب الملولبة ، والملزمة ، والمشبك على شكل حرف C ، ورافعة البرغي .
• تُستخدم البراغي أيضًا كوصلات في الآلات لنقل الطاقة، في التروس الدودية ، والبراغي اللولبية ، والبراغي الكروية ، والبراغي الأسطوانية . ونظرًا لكفاءتها المنخفضة، نادرًا ما تُستخدم وصلات البراغي لنقل الطاقة العالية، ولكنها تُستخدم غالبًا في التطبيقات المتقطعة ذات الطاقة المنخفضة، مثل مشغلات تحديد المواقع .
• تُستخدم شفرات أو حجرات لولبية دوارة لنقل المواد في لولب أرخميدس ، وحفارة الأرض اللولبية ، والناقل اللولبي .
• يستخدم الميكرومتر برغيًا معايرًا بدقة لقياس الأطوال بدقة عالية .

على الرغم من أن المروحة اللولبية تشترك في الاسم اللولبي ، إلا أنها تعمل على مبادئ فيزيائية مختلفة تمامًا عن الأنواع المذكورة أعلاه من المراوح اللولبية، والمعلومات الواردة في هذه المقالة لا تنطبق عليها.

المسافة الخطية${\displaystyle d\,}$يتحرك عمود البرغي عندما يدور بزاوية${\displaystyle \alpha \,}$الدرجة هي:

${\displaystyle d=l{\frac {\alpha }{360^{\circ }}}\,}$

أين ${\displaystyle l\,}$هو رأس المسمار.

تُعرَّف نسبة المسافة في الآلة البسيطة بأنها نسبة المسافة التي تتحركها القوة المؤثرة إلى المسافة التي يتحركها الحمل. بالنسبة للبرغي، فهي نسبة المسافة الدائرية (d) _التي تتحركها نقطة على حافة العمود إلى المسافة الخطية (d) _التي يتحركها العمود. إذا كان r هو نصف قطر العمود، ففي دورة واحدة تتحرك نقطة على حافة البرغي مسافة 2πr ، بينما يتحرك عموده خطيًا مسافة الخطوة (l) . لذا فإن نسبة المسافة هي

${\displaystyle {\mbox{نسبة المسافة}}\equiv {\frac {d_{\text{in}}}{d_{\text{out}}}}={\frac {2\pi r}{l}}\,}$

تُعرَّف الميزة الميكانيكية (MA) للبرغي بأنها نسبة قوة الخرج المحورية (Fout) التي _{يُطبقها} العمود على الحمل إلى قوة الدوران (Fin) _{المُطبقة} على حافة العمود لتدويره. بالنسبة للبرغي عديم الاحتكاك (ويُسمى أيضًا البرغي المثالي )، وبحسب قانون حفظ الطاقة، فإن الشغل المبذول على البرغي بواسطة قوة الإدخال المُديرة له يساوي الشغل المبذول من البرغي على قوة الحمل.

${\displaystyle W_{\text{in}}=W_{\text{out}}\,}$

الشغل يساوي القوة مضروبة في المسافة التي تؤثر بها، لذا فإن الشغل المبذول في دورة كاملة واحدة للمسمار هو${\displaystyle W_{\text{in}}=2\pi rF_{\text{in}}\,}$والعمل المنجز على الحمل هو${\displaystyle W_{\text{out}}=lF_{\text{out}}\,}$إذن، فإن الميزة الميكانيكية المثالية للبرغي تساوي نسبة المسافة :

يتضح أن الميزة الميكانيكية للبرغي تعتمد على طول خطوته.${\displaystyle l\,}$كلما صغرت المسافة بين أسنان اللولب، زادت الفائدة الميكانيكية، وزادت القوة التي يمكن أن يبذلها عند تطبيق قوة معينة. مع ذلك، فإن معظم البراغي الفعلية تتميز باحتكاك كبير، وبالتالي فإن فائدتها الميكانيكية أقل مما هو موضح في المعادلة أعلاه.

بسبب مساحة التلامس الانزلاقي الكبيرة بين الخيوط المتحركة والثابتة، عادةً ما تعاني البراغي من فقد كبير في الطاقة الاحتكاكية. حتى براغي الرفع المُشحّمة جيدًا لا تتجاوز كفاءتها 15% إلى 20%، حيث يُفقد باقي الشغل المبذول في تدويرها بسبب الاحتكاك. عند أخذ الاحتكاك في الحسبان، لا تعود الفائدة الميكانيكية مساوية لنسبة المسافة، بل تعتمد أيضًا على كفاءة البرغي. وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، فإن الشغل W _{المبذول} على البرغي بفعل قوة الإدخال التي تُديره يساوي مجموع الشغل المبذول لتحريك الحمل W _للخارج ، والشغل المُبدد على شكل حرارة نتيجة الاحتكاك Wfric داخل البرغي _.

${\displaystyle W_{\text{in}}=W_{\text{out}}+W_{\text{fric}}\,}$

الكفاءة η هي عدد بلا أبعاد يتراوح بين 0 و1 ، وتُعرَّف بأنها نسبة العمل الناتج إلى العمل المُدخل

${\displaystyle \eta =W_{\text{out}}/W_{\text{in}}\,}$

${\displaystyle W_{\text{out}}=\eta W_{\text{in}}\,}$

يُعرَّف الشغل بأنه القوة مضروبة في المسافة المقطوعة، لذلك${\displaystyle W_{\text{in}}=F_{\text{in}}d_{\text{in}}\,}$و${\displaystyle W_{\text{out}}=F_{\text{out}}d_{\text{out}}\,}$وبالتالي

${\displaystyle F_{\text{out}}d_{\text{out}}=\eta F_{\text{in}}d_{\text{in}}\,}$

${\displaystyle {\frac {F_{\text{out}}}{F_{\text{in}}}}=\eta {\frac {d_{\text{in}}}{d_{\text{out}}}}\,}$

أو من حيث عزم الدوران

${\displaystyle {\frac {F_{\text{out}}}{T_{\text{in}}}}={\frac {2\pi \eta }{l}}\qquad \,}$

لذا فإن الميزة الميكانيكية للبرغي الفعلي تقل عما ستكون عليه في برغي مثالي عديم الاحتكاك بسبب الكفاءة${\displaystyle \eta \,}$نظراً لانخفاض كفاءتها، لا تُستخدم البراغي في الآلات التي تعمل بالطاقة كوصلات لنقل كميات كبيرة من الطاقة، ولكنها تُستخدم في الغالب في أجهزة تحديد المواقع التي تعمل بشكل متقطع. ^{[ 5 ]}

تُسبب قوى الاحتكاك الكبيرة أن تكون معظم البراغي المستخدمة عمليًا " ذاتية القفل "، وتُسمى أيضًا " غير متبادلة " أو " غير قابلة للدوران ". هذا يعني أن تطبيق عزم دوران على العمود سيؤدي إلى دورانه، ولكن لن يؤدي أي مقدار من قوة الحمل المحورية المؤثرة على العمود إلى دورانه في الاتجاه المعاكس، حتى لو كان عزم الدوران المُطبق صفرًا. وهذا على عكس بعض الآلات البسيطة الأخرى التي تكون " متبادلة " أو " غير قابلة للقفل "، مما يعني أنه إذا كانت قوة الحمل كبيرة بما يكفي، فإنها ستتحرك للخلف أو " تدور ". وبالتالي، يمكن استخدام الآلة في كلا الاتجاهين. على سبيل المثال، في الرافعة ، إذا كانت القوة المؤثرة على طرف الحمل كبيرة جدًا، فإنها ستتحرك للخلف، مُنجزةً شغلًا على القوة المؤثرة. صُممت معظم البراغي لتكون ذاتية القفل، وفي حالة عدم وجود عزم دوران على العمود، فإنها ستبقى في أي وضع تُركت فيه. مع ذلك، فإن بعض آليات البراغي ذات الخطوة الكبيرة والتشحيم الجيد لا تتمتع بخاصية القفل الذاتي، وبالتالي ستتلف. وهناك عدد قليل جدًا منها، مثل المثقاب اليدوي ، يستخدم البرغي في هذا الاتجاه "العكسي"، حيث يتم تطبيق قوة محورية على العمود لتدوير البرغي. ومن الأسباب الأخرى لارتخاء البراغي: التصميم غير الصحيح للتجميع، والقوى الخارجية مثل الصدمات والاهتزازات والأحمال الديناميكية التي تُسبب انزلاقًا على الأسطح الملولبة والمتصلة/المثبتة. ^{[ 24 ]}

تُعدّ خاصية القفل الذاتي هذه أحد أسباب الاستخدام الواسع للبراغي في أدوات التثبيت الملولبة ، مثل براغي الخشب ، وبراغي الصفائح المعدنية ، والمسامير، والبراغي. يؤدي شد أداة التثبيت عن طريق تدويرها إلى ضغط المواد أو الأجزاء المراد تثبيتها معًا، ولكن مهما بلغت قوة الضغط من هذه الأجزاء، فلن يدور البرغي عكسيًا وينفك. وتُعدّ هذه الخاصية أيضًا أساس استخدام البراغي في أغطية الحاويات ذات الأغطية اللولبية ، والملازم ، والمشابك على شكل حرف C ، والرافعات اللولبية . يمكن رفع جسم ثقيل عن طريق تدوير عمود الرافعة، ولكن عند تحرير العمود، سيبقى الجسم عند الارتفاع الذي رُفع إليه.

يكون البرغي ذاتي القفل إذا وفقط إذا كانت كفاءته${\displaystyle \eta \,}$أقل من 50%. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

${\displaystyle \eta ={\frac {F_{\text{out}}/F_{\text{in}}}{d_{\text{in}}/d_{\text{out}}}}={\frac {F_{\text{out}}}{F_{\text{in}}}}{\frac {l}{2\pi r}}<0.50\,}$

يعتمد ما إذا كان البرغي ذاتي القفل في النهاية على زاوية الخطوة ومعامل احتكاك السنون؛ فالسنون ذات الاحتكاك المنخفض والتشحيم الجيد والخطوة الكبيرة بما يكفي قد "تتلف". كما يجب مراعاة التأكد من تثبيت المكونات بإحكام كافٍ لمنع الحركة تمامًا. وإلا، فقد يحدث انزلاق في السنون أو سطح التثبيت. ^{[ 24 ]}