Тысячи лет человечество передавало усилие через зубья — бронзовые, стальные, пластиковые. Нью-йоркский университет предлагает отказаться от механического контакта вообще. Новые «жидкостные шестерни» работают на вихрях воды и глицерина, не имеют трущихся деталей и могут менять направление вращения без лишних механизмов.
Профессор математики и физики Джун Чжан представил разработку, которая может перевернуть представление о передаче вращательного движения. Вместо того чтобы цеплять одну шестерню за другую физическими зубьями, инженеры заставили работать жидкость.
Как это работает
Экспериментальная установка проста: два цилиндра погружены в вязкую смесь воды и глицерина. Один цилиндр (активный) начинает вращаться. Казалось бы, второй должен просто болтаться в жидкости. Но нет.
Исследователи обнаружили два режима поведения, зависящих от расстояния между цилиндрами:
- Режим зубьев (близкое расстояние). Жидкость между цилиндрами начинает вращаться так, что передает усилие противоположно направленному вращению. Второй цилиндр крутится в обратную сторону — точно как классическая механическая пара шестерен.
- Режим ремня (увеличенное расстояние). Поток жидкости огибает второй цилиндр и заставляет его вращаться в ту же сторону, что и первый. Эффект напоминает ременную передачу, но без физического ремня.
Никакого трения, никаких заеданий
Классические шестерни требуют ювелирной точности. Чуть сместились оси, попала песчинка, скололся зуб — механизм клинит или разрушается. Именно поэтому в двигателях используют масло, а велосипедные цепи регулярно чистят.
Обычные шестерни нужно проектировать так, чтобы зубья идеально совпадали. Любой дефект, неправильный зазор или соринка — и они заклинивают. Жидкостные шестерни свободны от всех этих проблем. Скорость и даже направление вращения можно менять способами, недоступными для механики.
Поскольку детали не соприкасаются, ломаться просто нечему. Если в систему попадает песчинка, жидкость просто обтекает её, не повреждая механизм.
Куда это применять
Первая и самая очевидная ниша — мягкая робототехника. Современные роботы с жесткими металлическими сочленениями плохо приспособлены для деликатного взаимодействия с людьми или хрупкими объектами. Жидкостные передачи позволят создавать гибкие манипуляторы, где движение передается через текучую среду.
Кроме того, технология открывает путь к адаптивным трансмиссиям. Меняя вязкость жидкости или скорость потока, можно в реальном времени регулировать передаточное отношение — без сложных планетарных механизмов и муфт.
Исторический контекст
Шестерни сопровождают человечество с бронзового века (примерно 3000 год до н.э.). Колесницы древнего Китая, античные водяные мельницы, часовые механизмы средневековья, паровые машины индустриальной революции — везде работали зубья, цепляющиеся за зубья.
И вот ученые предлагает сделать следующий шаг: убрать зубья совсем. Вопрос только в том, насколько эффективно жидкостные передачи будут работать под высокими нагрузками. Пока эксперименты проводились в лабораторных условиях. До промышленных редукторов для экскаваторов еще далеко.
Но первые шаги сделаны. И выглядят они как начало новой главы в многовековой истории механических передач.
Подписывайтесь на наш канал, чтобы быть в курсе всех новостей отрасли, а искать надежных подрядчиков для нестандартных задач помогает платформа Tech Ex.