Fluidväxlar roterar utan tänder, vilket ger ny mekanisk flexibilitet

Ett team av forskare vid New York University har skapat en kugghjulsmekanism som använder vätskor för att generera rotation. Uppfinningen har potential att leda till en ny generation mekaniska enheter som erbjuder större flexibilitet och hållbarhet än befintliga kugghjul, vars ursprung går tillbaka till det gamla Kina.

Genombrottet rapporteras i tidskriften Physical Review Letters.

”Vi har uppfunnit nya typer av kugghjul som kopplas in genom att snurra upp vätska istället för att låsa ihop tänderna – och vi har upptäckt nya möjligheter att kontrollera rotationshastigheten och till och med riktningen”, säger Jun Zhang, professor i matematik och fysik vid NYU och NYU Shanghai och huvudförfattare till artikeln.

Kugghjul är bland de äldsta maskindelarna och går tillbaka till 3 000 f.Kr. i Kina, där de användes i tvåhjuliga vagnar för att korsa Gobiöknen. Med tiden har de använts i den berömda Antikythera-mekanismen, som förutsåg astronomiska positioner i antikens Grekland, samt i väderkvarnar, klockor och nu även robotik.

Kugghjulens tänder, oavsett om de är av trä, metall eller plast, är dock oflexibla, vilket gör dem känsliga för brott – och de måste passa perfekt ihop för att fungera.

Utforska vätskebaserade alternativ till kugghjul

Med tanke på dessa begränsningar ville Zhang och hans kollegor – Leif Ristroph, docent i matematik vid NYU:s Courant Institute School of Mathematics, Computing, and Data Science, och Jesse Etan Smith, doktorand vid NYU – ta reda på om det var möjligt att tillverka enheter som fungerar som kugghjul, men som inte behöver tänder eller vara i kontakt med varandra för att fungera.

Med tanke på att strömmande luft och vatten har använts för att rotera strukturer som turbiner, antog författarna att vätskor också kunde fungera som kugghjulets tänder om deras flöden kunde riktas exakt.

För att undersöka detta genomförde forskarna en serie komplicerade experiment som innefattade att sänka ner cylindrar, eller rotorer, i vätska – en glycerol-vattenlösning vars egenskaper, såsom viskositet och densitet, forskarna kunde manipulera.

I dessa experiment drevs en cylinder aktivt för att rotera medan den andra var odriven eller passiv. Forskarna ställde upp hypotesen att den aktiva cylindern kunde generera vätskeflöden som fick den passiva att rotera.

För att övervaka detta tillsatte de små bubblor i blandningen – detta gjorde det möjligt för forskarna att spåra flödenas rörelser och, mer specifikt, se hur vätskorna fungerade som kugghjul. De genomförde experiment med cylindrarna på olika avstånd och med den aktiva cylindern roterande i olika hastigheter.

Resultat och potentiella tillämpningar

Sammantaget fann de att de aktiva cylindrarna, i kombination med vätskeflöden, kunde få de passiva cylindrarna att röra sig på ett sätt som ibland liknade kugghjul och ibland liknade remskivor som var förbundna med ett rem. Under förhållanden där cylindrarna var mycket nära varandra fungerade flödena som tänder som griper in i varandra på de motstående sidorna av två kugghjul och får dem att rotera – de virvlande flödena kunde effektivt greppa den passiva rotorn och få den att snurra i motsatt riktning jämfört med den aktiva.

När cylindrarna var längre ifrån varandra och den aktiva snurrade snabbare, slingrade sig flödena runt utsidan av den passiva, likt ett rem runt en remskiva som sedan roterar i samma riktning som den aktiva.

Författarna till artikeln pekar på potentiella användningsområden för kugghjul eller remskivsystem – och fördelar jämfört med nuvarande mekanismer.

”Vanliga kugghjul måste utformas noggrant så att tänderna passar ihop precis rätt, och varje defekt, felaktigt avstånd eller små partiklar kan få dem att fastna”, förklarar Ristroph. ”Fluidkugghjul är fria från alla dessa problem, och hastigheten och till och med riktningen kan ändras på sätt som inte är möjliga med mekaniska kugghjul.”