Un equipo de investigación de la Universidad de Nueva York desarrolló recientemente un nuevo sistema de "engranaje líquido". Este dispositivo no requiere que los dientes físicos de los engranajes tradicionales engranen entre sí. En cambio, transmite fuerza de rotación a través del movimiento fluido, lo que se espera que brinde mayor adaptabilidad y durabilidad a los equipos mecánicos.
Esta investigación fue dirigida por Zhang Jun, profesor de matemáticas y física en la Universidad de Nueva York y profesor de la Universidad de Nueva York en Shanghai. Los resultados relevantes se han publicado en "Physical Review Letters". Los investigadores dijeron que inventaron un nuevo tipo de sistema de engranajes que se basa en impulsar la rotación del fluido en lugar de depender de los dientes para "engranarse", y descubrieron que este diseño no solo puede controlar la velocidad de rotación, sino también ajustar la dirección de rotación.
Como componente básico de los sistemas mecánicos, los engranajes tienen una historia de miles de años. Los primeros vestigios se remontan a China, alrededor del año 3000 a. C., cuando se utilizaban en carros de dos ruedas que cruzaban el desierto de Gobi. Desde entonces, los engranajes han aparecido ampliamente en diversos dispositivos, como el antiguo mecanismo griego de Antikythera, molinos de viento, relojes y robots modernos.
Sin embargo, los engranajes tradicionales han tenido durante mucho tiempo ciertas limitaciones. Independientemente de si el material es madera, metal o plástico, la estructura del diente en sí es relativamente rígida y se daña fácilmente. Al mismo tiempo, debe estar alineado con precisión en su posición, de lo contrario el efecto de operación podría verse afectado. Debido a esto, el equipo de investigación comenzó a explorar si se podría lograr un comportamiento de transmisión similar a un engranaje sin dientes físicos o incluso sin contacto directo entre los componentes.
Los investigadores creen que, dado que el flujo de aire y agua puede impulsar turbinas y otros dispositivos, el flujo de fluido controlado con precisión puede, en teoría, asumir la función de los dientes de engranajes tradicionales. Para verificar esta idea, el equipo realizó experimentos detallados, utilizando un rotor cilíndrico sumergido en una mezcla de glicerina y agua para controlar las características de movimiento del fluido ajustando la viscosidad y densidad del líquido.
En el experimento, un rotor cilíndrico fue impulsado para girar mediante energía externa, mientras que el otro permaneció pasivo. Los investigadores predicen que el movimiento del rotor activo creará un campo de flujo en el líquido, que hará girar el rotor pasivo. Para observar de forma más intuitiva cómo el fluido transmite energía, el equipo también añadió pequeñas burbujas al líquido para mostrar la trayectoria del flujo; Al mismo tiempo, también probaron el rendimiento en diferentes espacios entre rotores y diferentes condiciones de velocidad.
Los resultados muestran que la interacción entre el cilindro giratorio y el líquido circundante puede simular diferentes tipos de sistemas de transmisión mecánica. Cuando los dos cilindros están cerca uno del otro, el líquido actúa como los dientes entrelazados entre engranajes tradicionales, haciendo que el rotor pasivo gire en la dirección opuesta. Cuando la distancia entre los dos cilindros es mayor y el rotor activo gira más rápido, el líquido actúa sobre el rotor pasivo de manera similar a una correa que envuelve una polea, haciendo que los dos rotores giren en la misma dirección.
El equipo de investigación cree que esta solución de engranajes basada en fluidos tiene varias ventajas potenciales sobre los engranajes tradicionales. Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Matemáticas, Ciencias Computacionales y de Datos de la Universidad de Nueva York, dijo que los engranajes ordinarios deben diseñarse con precisión para garantizar que los dientes coincidan exactamente. Cualquier defecto, error de espaciado o partículas pequeñas pueden provocar atascos; Los "engranajes líquidos" no tienen estos problemas, y su velocidad y sentido de rotación también pueden lograr ajustes que son difíciles de lograr con los engranajes mecánicos tradicionales.