Группа исследователей из Нью-Йоркского университета разработала новый тип зубчатой передачи, в которой для вращения используется движение жидкости. Такой подход может открыть путь к созданию механических устройств, которые будут более гибкими и устойчивыми, чем традиционные зубчатые передачи, история которых восходит к Древнему Китаю.

Результаты исследования подробно описаны в журнале Physical Review Letters.

«Мы изобрели новые типы зубчатых передач, которые приводятся в движение за счет вращения жидкости, а не зацепления зубьев, и открыли новые возможности для контроля скорости и даже направления вращения», — говорит Цзюнь Чжан, профессор математики и физики в Нью-Йоркском университете и Шанхайском университете Нью-Йоркского университета, старший автор статьи.

Переосмысление зубчатых передач: не только сплошные зубья

Шестерни были важнейшей частью механизмов на протяжении тысячелетий. Первые их образцы появились около 3000 года до н. э. в Китае, где их использовали в двухколесных колесницах, которые передвигались по пустыне Гоби. На протяжении веков шестерни использовались в таких устройствах, как Антикитерский механизм в Древней Греции, который предсказывал астрономические события, а также в ветряных мельницах, часах и современной робототехнике.

Несмотря на долгую историю, традиционные зубчатые передачи имеют свои ограничения. Их зубья, будь то деревянные, металлические или пластиковые, жёсткие и хрупкие, и для правильной работы они должны быть точно подогнаны друг к другу.

Учитывая эти ограничения, Чжан вместе с коллегами Лейфом Ристрофом, доцентом кафедры математики в Школе математики, вычислительной техники и анализа данных Института Куранта при Нью-Йоркском университете, и Джесси Итаном Смитом, докторантом Нью-Йоркского университета, решили выяснить, можно ли добиться эффекта зубчатой передачи без физических зубьев или прямого контакта между компонентами.

Поскольку движущиеся потоки воздуха и воды уже приводят в движение такие системы, как турбины, исследователи предположили, что тщательно контролируемые потоки жидкости могут эффективно выполнять роль зубчатых передач.

Потоки жидкости заменяют механический контакт

Чтобы проверить эту гипотезу, команда провела детальные эксперименты с цилиндрическими роторами, погруженными в жидкую смесь глицерина и воды. Регулируя такие свойства, как вязкость и плотность, они смогли управлять поведением жидкости.

Зубчатый механизм, созданный исследователями из Нью-Йоркского университета, приводится в движение с помощью воды. В одних случаях роторы вращаются в одном направлении, как шкивы, соединенные ремнем (первое видео ниже); в других — в противоположных направлениях, как пара шестеренок (второе видео ниже). Источник: видео предоставлено Лабораторией прикладной математики Нью-Йоркского университета

В каждой установке один цилиндр приводился во вращение, а второй оставался неподвижным. Исследователи предположили, что движение активного цилиндра будет создавать потоки жидкости, способные привести в движение пассивный цилиндр. Чтобы визуализировать эти потоки, они добавили в жидкость крошечные пузырьки, которые позволили наблюдать за тем, как жидкость передает движение. Эксперименты проводились на разном расстоянии между цилиндрами и при разной скорости вращения.

Результаты показали, что взаимодействие между вращающимися цилиндрами и окружающей их жидкостью может имитировать работу различных механических систем. Когда цилиндры располагались близко друг к другу, жидкость действовала как сцепляющиеся зубья традиционных шестерен, заставляя пассивный ротор вращаться в противоположном направлении. Когда цилиндры располагались дальше друг от друга, а активный ротор двигался быстрее, жидкость обволакивала пассивный цилиндр, напоминая систему с ремнем и шкивом, и оба цилиндра вращались в одном направлении.

Новые возможности управления и проектирования

Исследователи выделяют несколько потенциальных преимуществ этого подхода с использованием жидкости перед традиционными зубчатыми передачами.

«Обычные зубчатые передачи должны быть тщательно спроектированы, чтобы их зубья идеально подходили друг к другу, и любой дефект, неправильное расстояние между зубьями или малейшая шероховатость приводили к заклиниванию, — объясняет Ристроф. — В гидромеханических передачах нет этих проблем, а скорость и даже направление движения можно менять так, как это невозможно при использовании механических передач».