Нов зъбчат механизъм: Флуидни зъбни колела се въртят без зъби

Ваня Милева Последна промяна на 16 January 2026 в 12:59 17551 0

Два въртящи се механизма вътре в кръгъл контейнер, заобиколени от течност с мехурчета, които помагат за визуализиране на потоците. Левият въртящ механизъм се задвижва активно с двигател (не е показан), а десният се върти пасивно поради потоците

Кредит NYU's Applied Mathematics Laboratory
Два въртящи се механизма вътре в кръгъл контейнер, заобиколени от течност с мехурчета, които помагат за визуализиране на потоците. Левият въртящ механизъм се задвижва активно с двигател (не е показан), а десният се върти пасивно поради потоците

Създаден е зъбчат механизъм, който разчита на флуиди, за да генерира въртене. Изобретението има потенциал за ново поколение механични устройства, които предлагат по-голяма гъвкавост и издръжливост от съществуващите зъбни колела, чийто произход датира от древен Китай.

Описанието на изобретението на учени от Нюйоркския университет е публикувано в списанието Physical Review Letters.

"Изобретихме нови видове зъбни колела, които се зацепват чрез въртене на флуид, а не чрез зацепване на зъбите – и открихме нови възможности за контролиране на скоростта на въртене и дори посоката", разказва Дзюн Джан (Jun Zhang), професор по математика и физика в Нюйоркския университет и Нюйоркския университет в Шанхай и старши автор на статията.

Зъбните колела са сред най-старите машинни части, датиращи от 3000 г. пр.н.е. в Китай, където са били използвани в двуколесни колесници за прекосяване на пустинята Гоби. С течение на времето те са били използвани в известния механизъм от Антикитера, за който се предполага, че е предсказвал астрономически позиции в древна Гърция, както и във вятърни мелници, часовници и сега в роботиката.

Зъбците на зъбните колела, независимо дали са дървени, метални или пластмасови, обаче са негъвкави, така че са уязвими на счупване – и трябва да са съгласувани перфектно, за да работят.

Проучване на алтернативи за зъбни колела на флуидна основа

Предвид тези ограничения, Джан и неговите колеги се опитват да разберат дали е възможно да се създадат устройства, които функционират като зъбни колела, но не се нуждаят от зъбци и от контакт помежду си, за да функционират.

Потоци въздух и вода отдавна се използват за въртене на съоръжения като ветрогенератори и турбини, затова авторите предполагат, че флуидите биха могли да служат и като зъбци на зъбни колела, ако потоците им могат да бъдат точно насочени.

За да проучат тази възможност, изследователите провеждат сложна серия от експерименти, които включват потапяне на цилиндри или ротори в течност - разтвор на глицерол и вода, чиито свойства, като вискозитет и плътност, изследователите могат да манипулират.

В тези експерименти единият цилиндър се върти активно (задвижван от двигател), докато другият не се захранва, т. е. е пасивен. Изследователите предполагат, че активният цилиндър може да генерира флуидни потоци, които да накарат пасивния да се върти.

За да наблюдават това, те добавят малки мехурчета към сместа – това позволило на учените да проследяват движението на потоците и по-специално да видят как флуидите функционират като зъбни колела. Те провеждат експерименти с цилиндри на различни разстояния и с активен цилиндър, въртящ се с различна скорост.

Експериментът с два ротора. (а) Активен цилиндър и който може да предизвика въртене на пасивен цилиндър поради хидродинамично свързване. (b) Експериментална апаратура (не в мащаб), показваща системи за задвижване и окачване и средства за измерване на въртенето и потока. (с) Примерна снимка на състоянието на обратно въртене. Кредит: Physical Review Letters

Констатации и потенциални приложения

Авторите откриват, че активните цилиндри, комбинирани с флуидни потоци, могат да накарат пасивните цилиндри да се движат по различни начини - понякога като зъбни колела, а понякога като шайби, свързани с ремък. При условия, в които цилиндрите са много близо, потоците функционират като зъбци, които се зацепват с обърнатите страни на две зъбни колела и ги карат да се въртят – вихровите потоци могат ефективно да захванат пасивния ротор и да го накарат да се върти в обратна посока на активния.

Когато обаче цилиндрите са по-далеч един от друг и активният се върти по-бързо, потоците се завъртат около външната страна на пасивния, подобно на ремък около шайба и се върти в същата посока като активния.

Авторите на статията посочват потенциални приложения на зъбни колела или ролкови системи – и предимства пред настоящите механизми.

"Обикновените зъбни колела трябва да бъдат внимателно проектирани, така че зъбите им да се зацепват точно помежду си и заради всеки дефект, неправилно разстояние или малко песъчинка могат да засекат", обяснява съавторът Лейф Ристроф (Leif Ristroph), доцент по математика от Нюйоркския университет. "Флуидните зъбни колела няма такива проблеми и скоростта и дори посоката могат да се променят по начини, които не са възможни при механичните зъбни колела."

Справка: Hydrodynamic spin-coupling of rotors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/m6ft-ll2c

Източник: Fluid gears rotate without teeth, offering new mechanical flexibility, James Devitt, New York University

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !