Прорыв в механике: Учёные из Нью-Йорка создали «шестерни», работающие на потоках жидкости

Революция вместо износа: отказ от зубцов

Принцип работы зубчатых передач, известных человечеству на протяжении тысячелетий, казался незыблемым: сцепление твёрдых зубьев, будь то в деревянных, металлических или пластиковых механизмах. Однако исследователи из Нью-Йоркского университета (NYU) бросили вызов этой традиции, разработав совершенно новую концепцию передачи вращательного движения, полностью исключающую механическое зацепление. Суть инновации заключается в использовании контролируемых потоков жидкости для передачи энергии между элементами.

«Жидкие зубья» и два режима работы

Идея, вдохновленная принципами работы гидро- и аэродинамических турбин, была успешно реализована на практике. Учёные погрузили два цилиндрических ротора в вязкий раствор, состоящий из воды и глицерина. Активно вращающийся первый ротор создаёт вокруг себя упорядоченное движение жидкости. Ключевой момент — поведение второго, пассивного ротора, которое кардинально меняется в зависимости от расстояния между цилиндрами.

Если роторы расположены близко друг к другу, вихревые потоки жидкости начинают работать как своеобразные «жидкие зубья». Эти потоки захватывают пассивный цилиндр и заставляют его вращаться в направлении, противоположном активному ротору, имитируя действие классической пары шестерён. Этот режим обеспечивает передачу движения с реверсом.

Адаптивность: от шестерни к ремню

Интересно, что система демонстрирует поразительную адаптивность. При увеличении зазора между цилиндрами и повышении скорости ведущего ротора, характер взаимодействия меняется. Жидкость начинает не «сцепляться» с пассивным элементом, а обтекать его, увлекая за собой вращение в том же направлении. По сути, это поведение напоминает работу ременной передачи, но без физического ремня.

Профессор математики и физики Джун Чжан, один из ведущих авторов работы, отметил, что это открытие «изобрело новый тип шестерён, которые входят в зацепление за счёт вращения жидкости, а не сцепления зубьев, и открыли новые возможности» для управления механизмами.

Преимущества перед классикой

Основное преимущество этой гидравлической системы, как подчеркивают исследователи, — это её повышенная отказоустойчивость и долговечность. Как пояснил доцент Лейф Ристроф, традиционные шестерни крайне чувствительны к минимальным перекосам, износу или попаданию даже мельчайших абразивных частиц, что неизбежно ведёт к заклиниванию. В отличие от них, «жидкие шестерни» не имеют физического контакта между передающими элементами. Жидкость просто обтекает любые потенциальные препятствия, сохраняя работоспособность системы. Эта нечувствительность к дефектам и загрязнениям открывает широкие перспективы для использования технологии в сложных условиях, например, в робототехнике или микромеханике.