Průlomové převodovky poháněné vodou fungují bez zubů nebo přímého kontaktu

Vědci z Universitě New York a NYU Shanghai vyvinuli nový druh převodovky, která nevyžaduje zuby nebo přímý kontakt. Místo aby se kovové části navzájem zaklínily, tento systém spoléhá na pohybující se tekutinu pro přenos pohybu. Práci vedl Jun Zhang, profesor matematiky a fyziky na NYU a NYU Shanghai, a byla publikována v časopise Physical Review Letters, což naznačuje nový způsob uvažování o jednom z nejstarších mechanických nástrojů lidstva.

„Vynalezli jsme nové typy převodovek, které pracují tím, že roztočí tekutinu místo zaklínění zubů – a objevili jsme nové možnosti pro ovládání rychlosti otáčení a dokonce i směru,“ říká Zhang.

Převodovky a jejich historie

Převodovky existují již přibližně 5000 let. První verze se objevily ve starobylé Číně, kde pomáhaly řídit vozy přes Gobiho poušť. Od té doby převodovky poháněly zařízení od antického antikythera mechanismu ve starověkém Řecku po hodiny, větrné mlýny a moderní roboty. Avšak tradiční převodovky sdílejí jednu slabinu – jejich pevné zuby musí být dokonalé v zarovnání. I drobné vady, špína nebo opotřebování mohou způsobit zaseknutí nebo zlomení.

Toto omezení přimělo Zhang a jeho kolegy, Leifa Ristropha, docenta na Courant Institute of Mathematical Sciences NYU, a Jesseho Etana Smitha, doktorského studenta NYU, k jednoduché otázce. Mohla by převodová soustava fungovat bez zubů nebo dokonce fyzického kontaktu?

Převod tekutiny na mechanickou vazbu

Badatelé se obrátili k pohybu kapaliny pro odpověď. Vzduch a voda již pohánějí turbíny a vrtule, takže tým se ptal, zda by pečlivě tvarované toky mohly také přenášet otáčení mezi objekty. Ve svých experimentech umístili dva identické vertikální válce, nazvané rotory, do husté směsi glycerolu a vody. Jeden rotor byl aktivně poháněn motorem. Druhý byl pasivní a mohl se volně pohybovat.

Do kapaliny byly přidány drobné vzduchové bubliny, aby badatelé viděli, jak se tekutina pohybuje. Přizpůsobením vzdálenosti mezi válci a rychlosti poháněného rotoru tým sledoval, jak pohyb tekutiny přenášel sílu z jednoho válce na druhý.

Za blízkých vzdáleností a nízkých rychlostí se chování podobalo známým převodovkám. Tekutina uvězněná mezi válci fungovala jako neviditelné zuby, což způsobilo, že pasivní rotor rotoval v opačném směru než aktivní. Toto protiběžné otáčení splnilo očekávání.

Avšak jakmile se podmínky změnily, chování se překvapivě změnilo.

Když se převodovky chovají jako pásy

Při vyšších rychlostech nebo větších vzdálenostech se tekutina již neudržovala mezi rotory. Místo toho se obalila kolem vnější strany pasivního válce. V tomto případě začal pasivní rotor rotovat ve stejném směru jako poháněný, podobně jako pás spojující dva kladky.

Tato změna z opačného otáčení na otáčení ve stejném směru nezávisela na historii systému. Když badatelé zvyšovali nebo snižovali rychlost pohonu, výstup závisel pouze na aktuálním nastavení. Tato spolehlivost je důležitá pro praktické návrhy.

Jednoduché uspořádání odhaluje složitou fyziku

Ačkoli experiment využíval pouze dva válce, výsledky odhalují větší tajemství v oblasti fyziky tekutin. Vědci již dlouho vědí, že se pohybující objekty vzájemně ovlivňují prostřednictvím okolních kapalin. Rojy ryb, hejna bakterií a dokonce i větrné turbíny interagují v důsledku vířících toků. Přesto většina studií se zaměřuje na objekty pohybující se prostorem, nikoli na otáčení na místě.

Redukcí problému na dva rotory tým z NYU izoloval, jak otáčení samo pohání interakci. Vysoký tvar válců zajistil, že tok zůstal většinou dvourozměrný, což usnadnilo interpretaci.

To, co se objevilo, byla podrobná mapa ukazující, kdy se systém chová jako převodovky, kdy se chová jako pásy a kdy se pasivní rotor vůbec nepohybuje. Malé změny v odstupu, rychlosti nebo uvěznění mohly otočit směr otáčení.

Soutěžící síly v proudu

„Podrobnější analýza ukázala, proč se tyto změny dějí. Tekutina klouzající po vnitřní straně pasivního rotoru má tendenci ho tlačit jedním směrem. Tekutina, která prostupuje kolem vnější strany, tlačí ho opačným směrem. Pohyb rotoru závisí na tom, který efekt je silnější,“ řekl Zhang pro The Brighter Side of News.

„Při velmi malých mezerách se vnitřní střižná oblast zmenšuje, což umožňuje vnějšímu proudu dominovat a způsobuje otáčení ve stejném směru. Při středních mezerách se vnitřní střižná síla opět dostává pod kontrolu, čímž se obnovuje protiběžné otáčení. Při větších vzdálenostech se celkový vzor toku znovu reorganizuje a výsledek se znovu mění,“ pokračoval.

Rychlost také hraje důležitou roli. Rychlejší otáčení zvyšuje inertiální efekty v tekutině. Místo toho, aby se tok těsně smotával, se spirálovitě pohybuje ven, čímž se oslabuje vnitřní střižná síla a posiluje vnější. Jakmile se rovnováha změní, pasivní rotor změní směr.

Význam za hranice laboratoře

Zjištění ukazují, že i nejjednodušší otáčivé systémy se mohou chovat neočekávaně. Také naznačují nové návrhy pro stroje, které musí fungovat v drsných nebo omezených prostředích, kde tradiční převodovky selhávají.

Protože převodovky na bázi tekutiny se nedotýkají, odolávají opotřebení a tolerují nesouosost. Jejich chování lze také přizpůsobovat na místě změnou rychlosti nebo odstupu, což je něco, co pevné převodovky nemohou udělat.

Praktické důsledky výzkumu

Tento výzkum by mohl ovlivnit budoucí návrhy v robotice, měkkých strojích a mikrozařízeních, kde záleží na flexibilitě a trvanlivosti. Tekutinné převodovky by mohly fungovat lépe v prašných, vlhkých nebo uzavřených prostředích, kde pevné části selhávají. Při menších měřítkách by podobné principy mohly pomoci inženýrům ovládat mikroskopické rotory používané v medicínských nebo chemických aplikacích.

Tato studie také poskytuje jasnější rámec pro pochopení toho, jak se otáčející objekty vzájemně ovlivňují v kapalinách, což by mohlo vylepšit modely větrných farem, biologických systémů a inženýrských rojů.

Výsledky výzkumu jsou k dispozici online v časopise Physical Review Letters.