Revoluce v mechanice: Tekutá převodovka se nikdy neopotřebuje a nezastaví ji ani extrémní podmínky

Končí design známý tisíce let

Ozubená kola provázejí lidstvo už zhruba pět tisíc let. Od starověkých čínských vozů až po složitý řecký mechanismus z Antikythéry sloužily stejnému principu: zuby musí dokonale zapadat do sebe, jinak systém nefunguje. Tento koncept má však zásadní nevýhody. Zuby se opotřebovávají nebo lámou. Stačí jediné zrnko písku a celý mechanismus se může zablokovat.

Tým vedený profesorem Ťünem Čangem a Leifem Ritstrophem z New York University hledal způsob, jak se těmto problémům vyhnout. Inspirovali se turbínami a vodními koly. Pokud vzduch a voda dokážou roztočit lopatky, proč by tekutiny nemohly sloužit i jako náhrada za ozubení?

Jak to funguje?

Výzkumníci ponořili dva válce do směsi glycerolu a vody. Jeden válec byl poháněný, druhý volný. Když se roztočil aktivní válec, vytvořil kolem sebe proudy kapaliny, které zcela bez jakéhokoliv fyzického kontaktu roztočily i ten pasivní.

Zajímavé je, že systém funguje ve dvou různých režimech podle vzdálenosti válců (viz video). Když jsou válce blízko u sebe, kapalina vytváří miniaturní víry, které způsobí otáčení druhého válce opačným směrem. Přesně tak jako se to děje u klasických ozubených kol. Pokud je mezi válci větší mezera a aktivní válec se točí rychleji, kapalina obtéká pasivní válec jako virtuální řemen a oba se točí stejným směrem, tedy podobně jako u řemenového převodu.

Výhody, které tradiční převody nemohou nabídnout

Největší přínos kapalinových převodů spočívá v odolnosti proti poruchám, protože se součástky nedotýkají. Díky tomu se nemohou zaseknout ani opotřebovat třením. Písek, nečistoty nebo drobná nepřesnost v rozestupech jsou problémy, které ničí běžné převodovky. Kapalinový systém je jednoduše ignoruje a tekutina prostě obtéká překážku.

Další výhodou je flexibilita. Změnou rychlosti proudění nebo viskozity kapaliny lze okamžitě měnit převodový poměr. U klasických ozubených kol by to znamenalo kompletní výměnu součástek.

Co využití v praxi?

Nejslibnější aplikace se nabízejí v oblasti měkkých robotů. Představte si robotickou paži z pružných materiálů, která může bezpečně pracovat v blízkosti lidí. Klasické kovové převody by zde vytvářely tvrdé body, které mohou něco přiskřípnout nebo poškodit. Kapalinový převod by zajistil plynulý a bezpečný pohyb.

Systém by mohl fungovat jako mezistupeň mezi standardním motorem a ohebným kloubem. Převedl by pevné otáčení na jemný, kontrolovaný pohyb uvnitř utěsněné části. Celá robotická paže by mohla být poháněná společným kapalným okruhem místo samostatných převodovek v každém kloubu.

V pneumatických nebo hydraulických robotech by síť kapalinových převodů mohla distribuovat sílu a točivý moment napříč různými částmi těla. Konstruktéři by sice museli pečlivě ladit viskozitu, tlak a reakční čas, ale získali by nový způsob, jak řídit pohyb bez přidávání tuhých kovových součástek.

Co říká výzkum

Studie publikovaná v prestižním časopise Physical Review Letters detailně popisuje experimenty týmu. Vědci zkoušeli různé vzdálenosti mezi válci a různé rychlosti otáčení. Do kapaliny přidali drobné bubliny, aby mohli sledovat, jak přesně se tekutina pohybuje a jak funguje jako převod.

Výsledky překvapily i samotné vědce. Kapalina dokáže přenášet pohyb s pozoruhodnou přesností a nabízí možnosti řízení, které mechanické převody prostě nemají. Výzkum podpořila Národní vědecká nadace částkou přibližně 650 tisíc dolarů.

Je zatím předčasné tvrdit, že kapalinové převody nahradí klasická ozubená kola ve vašem autě nebo v hodinách. Jejich skutečná síla spočívá jinde: v aplikacích, kde je potřeba odolnost, adaptabilita a bezpečnost. Jak říká profesor Ristroph: "Kapalinové převody se vyhýbají všem problémům klasických ozubených kol a rychlost i směr otáčení lze měnit způsoby, které u mechanických převodů nejsou možné."

Zdroj: NYU, APS journals, Popular mechanics, ZME Science, Drives and controls, YouTube