Группа исследователей из Нью-Йоркского университета разработала новый тип зубчатой передачи, в котором вращение передаётся не через зацепление твёрдых зубьев, а с помощью управляемого потока жидкости. Такая конструкция может привести к созданию более надёжных и адаптируемых механических устройств по сравнению с традиционными шестернями, известными ещё с древнего Китая (около 3000 года до н. э.). Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Два спиннера внутри круглого контейнера, окружённые жидкостью с пузырьками, которые помогают визуализировать потоки. Левый спиннер активно вращается с помощью мотора (не показан), а правый пассивно вращается из-за потоков. Изображение: NYU’s Applied Mathematics Laboratory
Традиционные шестерни имеют принципиальные ограничения: их зубья (деревянные, металлические или пластиковые) со временем изнашиваются, требуют точного совмещения и подвержены заклиниванию из-за дефектов или попадания посторонних частиц. Авторы работы — профессор Цзюнь Чжан, его коллега Лейф Ристроф и аспирант Джесси Итан Смит задались вопросом: можно ли добиться эффекта зацепления без физического контакта между деталями, используя текучую среду.
В экспериментах исследователи погружали два цилиндрических ротора в ёмкость со смесью глицерина и воды, регулируя вязкость и плотность жидкости. Один цилиндр приводился во вращение мотором, а второй оставался пассивным. С помощью пузырьков воздуха учёные визуализировали потоки жидкости. Оказалось, что в зависимости от расстояния между роторами и скорости вращения возникают два разных режима.
Когда цилиндры расположены близко друг к другу, жидкость ведёт себя как зацепляющиеся зубья классической шестерни: пассивный ротор вращается в противоположную сторону. Если же расстояние увеличить и ускорить активный цилиндр, поток жидкости огибает пассивный ротор наподобие ремённой передачи, и оба вращаются в одном направлении.
«Обычные шестерни требуют тщательной подгонки зубьев, а любой дефект или соринка приводит к заклиниванию, — объясняет Ристроф. — У жидких шестерён этих проблем нет, и направление вращения можно менять способами, недоступными для механики». По мнению учёных, изобретение может найти применение в устройствах, где важны плавность хода, устойчивость к загрязнениям и возможность бесконтактного управления движением. Правда, вопрос с КПД и передаточным числом, по всей видимости, остаётся открытым.
