Een onderzoeksteam van de Universiteit van New York heeft onlangs een nieuw 'liquid gear'-systeem ontwikkeld. Bij dit apparaat hoeven de fysieke tanden van traditionele tandwielen niet in elkaar te grijpen. In plaats daarvan brengt het rotatiekracht over via vloeiende bewegingen, wat naar verwachting een groter aanpassingsvermogen en duurzaamheid aan mechanische apparatuur zal opleveren.
Dit onderzoek werd geleid door Zhang Jun, hoogleraar wiskunde en natuurkunde aan de New York University en professor aan de New York University Shanghai. De relevante resultaten zijn gepubliceerd in "Physical Review Letters". De onderzoekers zeiden dat ze een nieuw type tandwielsysteem hadden uitgevonden dat afhankelijk is van de rotatie van de vloeistof in plaats van te vertrouwen op tanden om te "aangrijpen", en ontdekten dat dit ontwerp niet alleen de rotatiesnelheid kan regelen, maar ook de rotatierichting kan aanpassen.
Tandwielen zijn een basiscomponent in mechanische systemen en hebben een geschiedenis van duizenden jaren. Ze zijn terug te voeren tot China rond 3000 voor Christus, toen ze werden gebruikt in tweewielige strijdwagens die de Gobi-woestijn doorkruisten. Sindsdien zijn tandwielen op grote schaal verschenen in verschillende apparaten, zoals het oude Griekse Antikythera-mechanisme, windmolens, klokken en moderne robots.
Traditionele versnellingen kennen echter al lang bepaalde beperkingen. Ongeacht of het materiaal hout, metaal of kunststof is, de tandstructuur zelf is relatief stijf en gemakkelijk beschadigd. Tegelijkertijd moet het nauwkeurig op zijn plaats worden uitgelijnd, anders kan het werkingseffect worden beïnvloed. Daarom begon het onderzoeksteam te onderzoeken of tandwielachtig transmissiegedrag kon worden bereikt zonder fysieke tanden of zelfs direct contact tussen componenten.
Onderzoekers zijn van mening dat, aangezien de lucht- en waterstroom turbines en andere apparaten kunnen aandrijven, de nauwkeurig gecontroleerde vloeistofstroom theoretisch de functie van traditionele tandwieltanden kan overnemen. Om dit idee te verifiëren voerde het team gedetailleerde experimenten uit, waarbij gebruik werd gemaakt van een cilindrische rotor ondergedompeld in een mengsel van glycerine en water om de bewegingseigenschappen van de vloeistof te controleren door de viscositeit en dichtheid van de vloeistof aan te passen.
In het experiment werd één cilindrische rotor aangedreven door externe kracht, terwijl de andere passief bleef. De onderzoekers voorspellen dat de beweging van de actieve rotor een stromingsveld in de vloeistof zal creëren, waardoor de passieve rotor zal gaan draaien. Om intuïtiever te kunnen observeren hoe de vloeistof kracht overbrengt, voegde het team ook kleine belletjes aan de vloeistof toe om het stroomtraject weer te geven; Tegelijkertijd testten ze ook de prestaties onder verschillende rotorafstanden en verschillende snelheidsomstandigheden.
De resultaten laten zien dat de interactie tussen de roterende cilinder en de omringende vloeistof inderdaad verschillende soorten mechanische transmissiesystemen kan simuleren. Wanneer de twee cilinders dicht bij elkaar staan, werkt de vloeistof als de in elkaar grijpende tanden tussen traditionele tandwielen, waardoor de passieve rotor in de tegenovergestelde richting draait. Wanneer de afstand tussen de twee cilinders groter is en de actieve rotor sneller roteert, werkt de vloeistof op de passieve rotor op een manier die vergelijkbaar is met een riem die een poelie omwikkelt, waardoor de twee rotors in dezelfde richting draaien.
Het onderzoeksteam is van mening dat deze vloeistofgebaseerde tandwieloplossing verschillende potentiële voordelen heeft ten opzichte van traditionele tandwielen. Leif Ristrof, universitair hoofddocent aan het Courant Institute of Mathematics, Computational and Data Sciences van de New York University, zei dat gewone tandwielen nauwkeurig moeten worden ontworpen om ervoor te zorgen dat de tanden precies op elkaar passen. Eventuele defecten, afstandsfouten of kleine deeltjes kunnen vastlopen veroorzaken; "vloeibare tandwielen" hebben deze problemen niet, en hun snelheid en draairichting kunnen ook aanpassingen bewerkstelligen die moeilijk te bereiken zijn met traditionele mechanische tandwielen.