A New York University kutatói olyan hajtóművet fejlesztenek, amelynek nincsenek fogai. Folyadékörvények érintkezés nélkül viszik át a forgatónyomatékot, és még a forgás irányát is képesek szabályozni.
A fogaskerekek a technika alapvető építőelemei közé tartoznak. Megbízhatóan továbbítják a forgómozgást, ám van egy gyenge pontjuk: a fogaiknak rendkívül pontosan kell illeszkedniük. Már kisebb gyártási hibák, szennyeződések vagy kopás is megzavarhatja a működésüket. A New York University kutatócsoportja most egy alternatívát mutat be. Az új hajtómű koncepció fogak helyett célzottan irányított folyadékáramlásokat használ. A tanulmány a Physical Review Letters folyóiratban jelent meg és egy olyan rendszert ír le, amely érintkezés nélkül adja át a forgómozgást. Az alapötlet az, hogy a folyadékok veszik át a klasszikus fogaskerekek szerepét.
Egy régi gépészeti alapelv új kihívója
A fogaskerekek mintegy 5000 éve léteznek. Kínában harci szekereket hajtottak velük, később az antiküthérai mechanizmusban is alkalmazták őket. A mai napig fogazott kerekek működtetik az órákat, szélmalmokat és robotokat. Az elv változatlan maradt: merev fogak kapaszkodnak egymásba. Pontosan innen indul ki az új kutatás. A merev fogak rugalmatlanok. Törnek, kopnak, és érzékenyen reagálnak az eltérésekre. Jun Zhang kutatócsoportja arra volt kíváncsi, megvalósítható-e a fogaskerekek funkciója szilárd érintkezés nélkül. „Új típusú fogaskerekeket találtunk fel, amelyek nem egymásba kapcsolódó fogakkal, hanem folyadékörvények keltésével működnek – és közben új lehetőségeket fedeztünk fel a fordulatszám, sőt a forgásirány szabályozására is” – mondta Zhang.
Folyadékok, mint forgatónyomaték-átvivők
A megközelítés az áramlástan fizikai törvényein alapul. A levegő és a víz régóta hajt turbinákat. A kutatók ezt az elvet két, folyadékba merített forgó hengerre alkalmazták. Egy víz és glicerin keverékét használták, amellyel célzottan be tudták állítani a sűrűséget és a viszkozitást. Az egyik hengert aktívan meghajtották, a másik passzív maradt. A feltételezés az volt, hogy az aktív rotor örvényeket hoz létre, amelyek magukkal húzzák a második hengert. Az áramlások láthatóvá tételéhez a kutatók apró gázbuborékokat kevertek a folyadékba. Így közvetlenül megfigyelhették az örvényeket, az áramlási útvonalakat és az erőhatásokat.
Két üzemmód a merev fogazás helyett
A kísérletek két jól elkülöníthető működési módot mutattak. A döntő tényezők a hengerek közötti távolság és a forgási sebesség voltak. Amikor a hengerek közel helyezkedtek el egymáshoz, az örvények virtuális fogakként viselkedtek. Oldalirányból hatottak, és a passzív rotort az ellenkező irányba forgatták. A viselkedés egy klasszikus fogaskerékpár működésének felelt meg. Amikor a hengerek távolabb kerültek egymástól, és az aktív rotor gyorsabban forgott, a kép megváltozott. Az áramlás szinte körülölelte a passzív hengert, mint egy szíj. Ebben az esetben mindkettő azonos irányban forgott. A rendszer szíjhajtásként viselkedett. Így nemcsak a forgatónyomaték vihető át, hanem a forgás iránya is célzottan változtatható – pusztán geometriai elrendezéssel és sebességszabályozással.
Miért érdekesek az érintkezésmentes hajtóművek?
A kutatók több előnyt is látnak a mechanikus megoldásokkal szemben. Nincs közvetlen érintkezés, nincs fogtörés, és nincs idegen testek miatti elakadás. A gyártási ráfordítás is csökken, mivel nincs szükség precízen kialakított fogprofilokra. „A hagyományos fogaskerekeket gondosan kell megtervezni, hogy a fogaik pontosan illeszkedjenek egymáshoz, és minden hiba, minden rossz távolság vagy akár egyetlen homokszem is beszoruláshoz vezethet” – magyarázza Leif Ristroph. „A folyadékalapú hajtóművek mindezektől mentesek, és a sebesség, sőt még az irány is olyan módon változtatható, amely mechanikus fogaskerekekkel nem lehetséges.”
Kép: NYU Alkalmazott Matematikai Laboratórium
