『螺旋测微器』没想到螺旋竟然还能这样用？！
据《数码兽图鉴》介绍 ， 钻头鼹鼠兽 ， 依靠它鼻尖的巨大钻头在地下高速移动 ， 必杀技是钻头旋转 。 当看到钻头鼹鼠兽那巨大钻头上的优美的螺旋 ， 小编不禁想起了生活中处处可见的螺旋 ， 比如螺丝钉、瓶盖、红酒开瓶器等等 。 其实 ， 螺旋测微器有很高的精确度 ， 与螺旋的性质密切相关 。 小编今天就来讲一点高考内容相关的东西——螺旋测微器和游标卡尺 。 说到这俩长度测量工具 ， 很多小可爱都很熟悉了（毕竟高考要考呀） ， 尤其是它们读数时的注意事项 ， 绝对烂熟于胸 。
这两种长度测量工具不仅仅读数时很有玄机 ， 它们的原理其实更是精妙 。 小编都不禁好奇发明它们的人究竟是怎么想到这招的 。
先说螺旋测微器 ， 螺旋测微器这个名字就点明了它的原理——螺旋 ， 那就从螺旋讲起 。
●螺旋●
螺旋指的是一种像螺线及螺丝的扭纹曲线 ， 我们经常能见到的螺丝钉和螺栓就是依靠螺旋来工作的 。
螺丝钉和螺栓中的螺旋 | 来源：Wikipedia
如果将一个斜面绕一个圆柱体旋转 ， 就可以得到一个螺旋 ， 所以螺旋也有斜面的一些性质 。 实际上 ， 古希腊的科学家就是用斜面绕圆柱体旋转来定义螺旋的 。
螺旋与斜面 | 来源：Wikipedia
斜面是一个省力（但不省功）的装置 ， 斜面的斜率越小（斜面与水平面之间的夹角越小） ， 则需施加于物体的作用力会越小[1] 。 同样地 ， 螺旋也可以省力 ， 除此之外螺旋还能够将旋转运动变换为直线运动、将力矩变换为直线力 。 借着螺旋这种传递作用力的机制 ， 作用力可以被放大 ， 施加较小的力矩于杆轴可以变换为较大的轴向力 ， 这个性质可以用来制作千斤顶 。
螺旋千斤顶 ， 现在已经有了更好用的液压千斤顶 | 来源：Wikipedia
除此之外 ， 红酒开瓶器、瓶盖也利用了螺旋将旋转运动转变为直线运动的性质 。
瓶盖
开瓶器
说到螺旋就还得提一下阿基米德式螺旋抽水机 ， 详细的原理可以看往期的正经玩专栏——水竟然可以往高处流？牛顿的棺材板快压不住啦！
阿基米德式螺旋抽水机 | 来源：giphy
阿基米德式螺旋抽水机 | 来源：giphy
●螺旋测微器●
说了这么多 ， 螺旋测微器与螺旋的关系在哪？别急 ， 下面就进入正题 。 其实 ， 螺旋测微器是一个“螺旋副” 。 表面具有凹凸不平呈螺旋线型条纹的圆柱体叫“螺杆” ， 表面具有凹凸不平呈螺旋线型条纹的圆孔体叫“螺母” 。 内外螺纹互相匹配的螺母与螺杆共同组成一对“螺旋副”[2] 。 开头图中提到的螺栓就是一个“螺旋副” ， 看一下螺旋测微器的剖面图就知道了 。
【『螺旋测微器』没想到螺旋竟然还能这样用？！】
螺旋测微器拆解图 | 来源：youtube
【『螺旋测微器』没想到螺旋竟然还能这样用？！】螺旋测微器结构
测微螺杆和微分筒是一体的 ， 测微螺杆在这扮演的就是“螺旋副”中螺杆的角色 ， 而固定套筒就相当于“螺母” 。 其固定套筒紧套在测微螺杆的外围 ， 当扭转微分筒时 ， 相对于固定套筒 ， 测微螺杆和微分筒会顺着螺纹做旋转运动 ， 同时沿着杆轴以直线通过螺母 ， 形成一个“螺转运动” 。
螺旋测微器之所以具有更高的精确度 ， 就是利用了将旋转运动变为直线运动的原理 。 这里需要补充一下“导程”的概念 。 导程就是螺旋旋转一周的直线距离 。 我们知道 ， 微分筒旋转一周 ， 测微螺杆向前或者向后运动0.5 mm ， 那么测微螺杆的导程就是0.5 mm 。 微分筒旋转一周相当于0.5 mm ， 如果将微分筒的圆周等分成50份 ， 是不是就相当于将0.5 mm也等分成了50份呢？那么 ， 微分筒上的每一份就相当于0.01 mm ， 这样就具有了更高的精确度 。
这种原理被称作为“螺旋放大”：通过螺旋将旋转运动变为直线运动的特点 ， 将变化更不明显的直线运动距离 ， 放大成更明显的旋转运动的周长 。 所以 ， 使用螺旋测微器的时候千万要注意别损坏里面的螺旋哦 。
根据这个原理 ， 有人就利用螺栓制作了个螺旋测微器玩具 ， 就像下面这个一样 ， 就是精确度不怎么高而已 。
螺旋测微器玩具 | 来源：sciphile.org
●游标卡尺●
螺旋测微器的原理看了它的剖视图就很好理解 ， 读数方法其实也和我们普通直尺的差不多 。 而游标卡尺初次使用的时候 ， 往往会觉得它很奇怪 ， 读数有点反直觉：要找到哪条线对得最准 。 这简直是连蒙带猜 ， 一点都不“严谨” 。 更何况归零的时候 ， 游标上的刻度和主尺的刻度对不齐 ， 看着就不太舒服 。
二十分度格游标卡尺 | 来源：giphy
别看游标的刻度与主尺的刻度对不齐 ， 而这正是游标卡尺比直尺能有更高精确度的原因 。 就拿下面这个五十分度格游标卡尺来说吧 ， 将游标归零的时候可以发现 ， 游标上的50个分度格的长度是49 mm ， 刚好比50 mm短1 mm ， 那么每个分度格上长度其实是0.98 mm 。 我们都学过怎么读游标卡尺了 ， 游标上第29根刻度线看起来对得最齐 ， 那么这把游标卡尺的示数就是：3 + 29×0.02 mm = 3.58 mm 。
来源：Wikipedia
那么可以这样读数的原理是什么呢？看到图上游标的第29根刻度线和32mm刻度线对得最齐 ， 那么不妨将这32mm分成三个部分 。 第一部分是主尺上的3mm ， 第二部分是主尺的3mm与游标零刻度线的距离 ， 第三部分是游标零刻度线到32mm的距离 。 其中 ， 第二部分就是我们想知道的长度 。 第二部分和第三部分的距离加起来是29mm ， 那么第三部分贡献了29×0.98 mm = 28.42 mm ， 第二部分就贡献了29 - 28.42 mm = 0.58 mm 。
其实可以换个角度思考 ， 从32 mm处向左边看 ， 想想第二部分的距离是怎么产生的 。 第二部分其实是因为游标上的每个分度格都比1 mm要短 ， 29个分度格累加起来 ， 就短出了第二部分的长度 。 那么短了的这些长度怎么算？直接将29个分度格每个分度格短了的0.02 mm累加起来就是了 ， 那就是29 × 0.02 mm = 0.58 mm 。
看到这儿其实就很好理解 ， 游标每个分度格要略短一些是有意为之 ， 就是要利用短出来的这些长度实现更精密的测量 。 那么十分度格和二十分度格游标卡尺也是同样的原理 ， 十分度格的每个分度格比1 mm短了0.1 mm ， 二十分度格的每个分度格比2 mm短了0.05 mm 。 读数其实读的就是总共有多少分度值（0.02 mm、0.05 mm、0.1 mm）累加了起来 。
那么 ， 现在让我们开个脑洞 ， 能不能发明个结合螺旋测微器和游标卡尺优点的尺子 ， 起到下面这种迪迦+戴拿的作用呢？
哎 ， 可惜已经有人做好了 ， 下面这张图就是 ， 真·螺旋测微器+游标卡尺 ， 固定套筒相当于游标 ， 有兴趣的小可爱可以试着读一下这个示数 。
来源：Wikipedia
最后 ， 高三的同学们高考加油呀！祝大家凯旋~
参考资料
[1] Inclined plane. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Inclined_plane
[2] Screw. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Screw_(simple_machine)
编辑：重光
推荐阅读
- 『世界这么大还是遇见你』
- 法律『2020.05.19』 轻松早茶
- 『Steam一周销量榜』你没看错《GTA5》依旧还在
- 【金测评】将时间的味道浓缩到一杯茶里： LAICA莱卡MINI养生净饮
- 『吐槽篇』拍的太烂了，别尬吹了《倩女幽魂人间情》心大，命薄！
- 夏日食话——樱桃：流光容易把人抛『明月几时有』
- 『两性』晨读丨愿你有一颗柔软的心
- 『央视新闻』波兰新增425例新冠肺炎确诊病例 累计确诊14431例
- 『奥运会』2021东京奥运会“不会再推迟”
- 『福建暴雨预警』中东部将有大范围降雨 西北华北等地局地降温8℃以上