나사의 정의

기계의 결합요소로 가장 많이 사용하는 것이 나사이며 간단히 풀 수 있다. 회전운동과 직선운동과의 상호 변환요소로써 또는 작은 회전모멘트로 축방향 큰 힘을 얻을 수 있는 운동용 나사로써 중요한 기계요소이다.

위의 그림과 같이 지름 \(d_1\)인 원통에 밑변 \(AC=\pi d_1\)인 직각삼각형 ABC를 감으로 빗변 AB는 원통면에 나선(螺旋, helix)이라는 곡선을 그린다. 이 나선을 따라 원통을 한 바퀴 돌면 \(BC=l\) 만큼 올라간다. 이 \(l\)을 리이드(lead)라 한다. 그림의 나선은 왼쪽으로 돌 때 올라가므로 왼나선(left hand helix)이라 하고, 직각삼각형 ABC를 반대방향으로 감으면 오른나선(right handed helix)이라 한다. 이 때 BC를 밑변으로 하는 삼각형 BCE를 나선에 따라 감으면 BE, CE는 나선면(helix surface or helicoid)를 형성하고 단면이 삼각형 BCE인 띠를 감은 것처럼 된다. 이것을 나사(screw)라 하고, 삼각형 BCE를 나사산(screw thread)이라 한다.

나선의 경사각 ∠BAC=α를 리이드각(lead angle)이라 하며, 1줄 나사에서는 피치각(pitch angle)이라고도 한다. 리이드각 α는 아래 그림과 같이 바깥지름 \(d\), 골지름 \(d_1\), 유효지름 \(d_2\)에 따라 \(\alpha_2,\ \alpha_1,\ \alpha\)가 되고 보통 유효지름의 것을 사용한다. 따라서 \(\tan\alpha=l/\pi d_2\)가 성립하고 나사의 작용에 중요한 평균경사각이다.

나사곡선 상으로 3각형, 4각형 등의 여러가지 단면을 가진 띠를 감으면 봉우리와 골 부분이 생긴다. 원통 바깥면에 나사산을 새긴 것을 수나사(external screw thread)라 하고 안쪽면에 새긴 것을 암나사(internal screw thread)라 한다. 그리고 수나사를 새긴 것을 보울트(bolt), 암나사를 새긴 것을 너트(nut)라 하며 서로 짝을 이룬다.

나사산이 오른쪽으로 올라가는 나사를 오른나사(right hand screw)라 하고, 왼쪽으로 올라가는 나사를 왼나사(left hand screw)라 한다. 수나사를 시계방향으로 돌릴 때 암나사로 박혀 들러가는 나사가 오른나사이다. 보통 오른나사를 사용하고 왼나사는 특별한 목적에만 사용한다.

1개의 나선곡선으로 만들어진 나사를 1줄 나사(single screw)라 하는데, 피치와 리이드를 작게 한 것이다. 리이드가 작은 나사는 죄는데 시간이 걸리지만 잘 풀어지지 않는다. 앞의 그림에서 BC의 1/2를 밑변으로 하는 2개의 삼각형으로 생각하면 리이드가 같은 2줄 나사가 생긴다. 마찬가지로 아래 그림과 같이 3줄, 4줄, … 여러줄 나사가 만들어 진다. 여러줄 나사는 1회전에 대한 리이드를 크게 하려고 할 때 사용된다. 나사가 1회전할 때 나사가 이동하는 거리, 리이드는 1줄 나사에서는 1피치이다. 그러나 2줄 이상 나사에서는, 즉 n줄 나사에서는 n 피치가 1 리이드가 되므로 같은 크기의 나사면에 있어서 다음 관계가 성립한다.

\[l=np\]