Un’elica è una curva di pendenza costante che circonda un asse centrale, proprio come una scala a chiocciola. L’angolo dell’elica è la tangente della curva rispetto all’asse. Le eliche sono comuni in natura e nei dispositivi meccanici. L’angolo determina molte altre proprietà di un’elica.
Gli ingegneri meccanici si preoccupano dell’angolo dell’elica di molti dei loro progetti. Le viti e i bulloni filettati mostrano un angolo che determina la quantità di morso o nuovo materiale che verrà raccolto dalla vite ad ogni giro. È necessaria una forza maggiore per ruotare un dispositivo con un angolo dell’elica maggiore. Allo stesso modo, una vite con un angolo maggiore terrà più saldamente.
I trasportatori a coclea impiegano eliche per trasportare molti materiali granulari o in pasta. Archimede, l’antico filosofo greco, ha il merito di aver inventato la coclea. Ha usato una grande vite di legno intagliato all’interno di un tronco d’albero scavato. Ruotando la vite, l’acqua potrebbe essere spostata in salita per scopi irrigui.
Le molle illustrano un’altra utile caratteristica delle eliche. Oltre alla capacità di trasportare materia e legare materiali, le eliche immagazzinano energia nel loro design geometrico che può essere utilizzato. L’energia di un pogo stick, degli ammortizzatori automobilistici o delle molle del letto deriva dalla compressione e dalla successiva espansione della bobina. L’angolo dell’elica, così come il materiale di costruzione, determina la forza necessaria per comprimere la molla.
Molti esempi di eliche si trovano in biologia. Il giro dei viticci di una pianta di pisello segue un angolo di elica fisso, sebbene il diametro del giro possa variare. Allo stesso modo, le conchiglie e molte altre conchiglie mostrano un angolo fisso. Alcuni hanno un diametro crescente con ogni aggiunta di crescita, mentre altri hanno un diametro fisso che crea una lunga forma a tubo.
Forse l’esempio più famoso di eliche in natura è la doppia elica della molecola dell’acido desossiribosio nucleico (DNA). Il DNA è la base molecolare della genetica. L’esclusivo angolo della doppia elica è così regolare che la struttura della molecola è stata individuata utilizzando tecniche di cristallografia.
Matematicamente, un’elica è semplicemente la traccia di un cerchio con una dimensione z crescente. Le coordinate cartesiane sono date da: x = r cos t, y = r sin t, z = ct; dove r è il raggio e 2 π c è il passo o la distanza verticale tra i loop. Secondo il teorema di Lancret, se r/c = una costante, la curva è un’elica. In pratica, la matematica della progettazione delle viti è piuttosto complicata, poiché sono coinvolti molti parametri.