Зубья имеют решающее значение для зубчатых колес, поскольку они служат основной точкой контакта для передачи механической энергии. Почти невозможно представить, как шестерни будут работать без них, но команда Нью-Йоркского университета не только осмелилась сделать это, но и построила это изобретение. Их подход к шестерне прекрасно работает без единого зубца, вместо этого для «контакта» используется жидкость. Это очень важно, потому что обычные зубья шестерни, независимо от того, как они устроены и из чего сделаны, жесткие, поэтому иногда могут сломаться под давлением. Они также должны идеально выровняться, иначе машина заклинит.
Команду возглавил Цзюнь Чжан, преподаватель математики и физики в Нью-Йоркском университете и Нью-Йоркском университете в Шанхае, а работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Они добились этого, поместив два гладких цилиндра, которые они назвали роторами, в кольцеобразный резервуар. Этот контейнер наполнен смесью глицерина (густой жидкости) и воды. Однако только один цилиндр оснащен двигателем, а другой просто пассивно сидит. Когда цилиндр вращается, он увлекает за собой и второй, при этом они даже не соприкасаются. Самое приятное то, что команда могла даже регулировать скорость и направление этого вращения.
Вдохновением для создания на самом деле послужили турбины. Их целый день вращает ветер и вода, и в Японии даже есть электростанция, которая превращает морскую воду в электричество, используя давление для ее вращения, поэтому разумно предположить, что шестерни могут работать таким же образом.
Как жидкость действует как зубы
Команде пришлось поэкспериментировать с множеством конфигураций, чтобы достичь оптимальной точки, в ходе которой они также сделали несколько довольно интересных выводов. Во-первых, им пришлось засеять жидкость крошечными пузырьками, что помогло им отслеживать, как они летают. Они также возились с вязкостью жидкости (насколько она густая и липкая на ощупь). После этого в основном настраивали две настройки: Зазор между цилиндрами и скорость вращения ведомого.
Здесь они обнаружили, что расстояние играет довольно большую роль. Поместите шестерни слишком близко друг к другу, и закрученный поток защемится в зазор. В результате пассивный ротор вращается в противоположном направлении. Раздвиньте их, и жидкость начнет действовать как ремень на шкиве, в результате чего оба цилиндра начнут вращаться в одном направлении. Интересно, что иногда даже изменение скорости вращения может привести к перевороту структуры потока.
Что касается реальных вариантов использования, команда Чжана видит возможность использования стесненных суставов гуманоидных роботов, над которыми работает множество компаний. В коробках с обычными коробками передач, где зубья соприкасаются, между ними может застрять кусочек песка или пыли и все заблокируется. Гидравлический механизм оставляет небольшой зазор между этими частями, поэтому тот же мусор просто дрейфует сквозь жидкость и продолжает двигаться, ничего не застревая. Потенциальными недостатками являются потери энергии в жидкости и, конечно же, случайные утечки. Еще одно, возможно, более реалистичное применение, по мнению Earth.com, — это мягкие роботы, созданные для мягкого сгибания и захвата.
