Шестерні без зубів: як рідина може замінити механіку майбутнього

Про механіку завжди дуже рідко що можна дізнатись свіжого. Зазвичай щось покращують. На це йраз приніс трохи нового. Сьогодні буде про механіку і про шестерні, а точніше – про нові шестерні.
Механічні передачі супроводжують людство понад п’ять тисяч років, приблизно. Перші згадки про дерев’яні зубчасті колеса датуються 3000 роком до н.е., знову ж таки приблизно бо я не історик, але їх використовували в колісницях для перетину пустелі Гобі і в ті часиможна було додавати це в список чудес світу. Від антикітерського механізму (Antikythera mechanism¹), що розраховував рух небесних тіл, до сучасних роботів — принцип залишався незмінним: зуби мають ідеально входити в зчеплення.

Підійшли до головного. Група вчених із Нью-Йоркського університету (New York University) представила радикальну альтернативу — шестерні, що працюють на основі руху рідини. Результати дослідження були опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Які мінуса у традиції

Традиційні шестерні мають суттєві обмеження:

1. Крихкість: зуби з матеріалів що відомі при виготовленні легко ламаються під надмірним тиском.
2. Точність: найменший дефект, неправильна відстань між осями, бруд – призводять до заклинювання.
3. Жорсткість: ви не можете миттєво змінити напрямок обертання або передавальне число без перемикання фізичних вузлів.

Як працюють нові шестерні

Команда під керівництвом професора Джуна Чжана (Jun Zhang) довела, що роль зубів можуть виконувати направлені потоки повітря або рідини (Gemini написав що води, але якби він вмів думати то написав би рідини, бо тестували не в воді,а в розчині гліцерину і води, ще й акцент саме на рідині).

Під час експериментів науковці занурювали циліндри-ротори в розчин гліцерину та води. Один ротор був активним (підключеним до двигуна), інший — пасивним. Щоб візуалізувати процеси, у рідину додавали бульбашки, які дозволяли бачити рух потоків.

Виявлено було дав основних режима роботи цієї системи:

• Режим шестерні: Коли циліндри розташовані близько один до одного, активний ротор створює вихори, які «зачіпляють» сусідній об’єкт. Рідина діє як невидимі зуби, змушуючи пасивний ротор обертатися у протилежному напрямку.
• Режим шківа (Pulley): Якщо збільшити відстань між циліндрами або підвищити швидкість обертання, потоки починають огинати пасивний ротор ззовні. Це нагадує роботу ремінної передачі, де рідина виступає в ролі «ременя», змушуючи обидва об’єкти обертатися в одному напрямку.

Що в цьому важливого?

Гідродинамічне зчеплення роторів (Hydrodynamic spin-coupling of rotors) відкриває двері для створення механізмів нового покоління:

• Гнучкість: швидкість та напрямок обертання можна змінювати, просто маніпулюючи в’язкістю рідини або відстанню між деталями.
• Зносостійкість: у системі немає механічного тертя деталей одна об одну,отже, немає чому ламатися.
• Стійкість до забруднень: рідка система не боїться забруднення твердими фракціями що можуть накопичуватись з часом, які фатальними для звичайних приводів у складних умовах.

Цей винахід може змінити підхід до проектування мікророботів та складних промислових систем, де надійність та адаптивність є критичними факторами.

Джерело даних: James Devitt, New York University (2026). Публікація: Hydrodynamic spin-coupling of rotors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/m6ft-ll2c

1. Антикітерський механізм — це унікальний артефакт Стародавньої Греції, який часто називають «першим у світі аналоговим комп’ютером». Це неймовірно складний пристрій із бронзових шестерень, створений понад 2000 років тому для моделювання руху небесних тіл.
   Його знайшли у 1901 році серед уламків затонулого римського корабля поблизу грецького острова Антикітера. Знахідка шокувала вчених, оскільки технології такого рівня знову з’явилися в Європі лише через 1400–1500 років (у часи винайдення складних астрономічних годинників). Механізм приводився в дію за допомогою ручки (корби) на боці корпусу. Обертаючи її, користувач міг «подорожувати в часі» — виставляти дату в минулому чи майбутньому, а система шестерень показувала:
   Положення Сонця та Місяця відносно знаків Зодіаку.
   Фази Місяця (за допомогою спеціальної кульки, що оберталася).
   Прогнози сонячних та місячних затемнень (з точністю до години).
   Рух п’яти відомих тоді планет: Меркурія, Венери, Марса, Юпітера та Сатурна.
   Календар релігійних та спортивних подій, зокрема дати проведення Олімпійських ігор.