Nhóm nghiên cứu của Đại học New York gần đây đã phát triển một hệ thống "bánh răng lỏng" mới. Thiết bị này không yêu cầu các răng vật lý của các bánh răng truyền thống phải ăn khớp với nhau. Thay vào đó, nó truyền lực quay thông qua chuyển động của chất lỏng, được kỳ vọng sẽ mang lại khả năng thích ứng và độ bền cao hơn cho thiết bị cơ khí.

Nghiên cứu này được dẫn dắt bởi Zhang Jun, giáo sư toán học và vật lý tại Đại học New York và giáo sư tại Đại học New York Thượng Hải. Các kết quả liên quan đã được công bố trong "Thư đánh giá vật lý". Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã phát minh ra một loại hệ thống bánh răng mới dựa vào việc dẫn động chuyển động quay của chất lỏng thay vì dựa vào răng để "gắn" và nhận thấy rằng thiết kế này không chỉ có thể kiểm soát tốc độ quay mà còn điều chỉnh hướng quay.

Là thành phần cơ bản trong hệ thống cơ khí, bánh răng có lịch sử hàng nghìn năm. Những niên đại sớm nhất có thể bắt nguồn từ Trung Quốc vào khoảng năm 3000 trước Công nguyên, khi chúng được sử dụng trên những cỗ xe hai bánh băng qua sa mạc Gobi. Kể từ đó, bánh răng đã xuất hiện rộng rãi trong nhiều thiết bị khác nhau như cơ cấu Antikythera của Hy Lạp cổ đại, cối xay gió, đồng hồ và robot hiện đại.

Tuy nhiên, các bánh răng truyền thống từ lâu đã có những hạn chế nhất định. Bất kể chất liệu là gỗ, kim loại hay nhựa thì bản thân cấu trúc răng đều tương đối cứng và dễ bị hư hỏng. Đồng thời, nó phải được căn chỉnh chính xác ở vị trí, nếu không hiệu quả hoạt động có thể bị ảnh hưởng. Vì điều này, nhóm nghiên cứu bắt đầu khám phá liệu có thể đạt được hoạt động truyền động giống như bánh răng mà không cần đến răng thực hay thậm chí là tiếp xúc trực tiếp giữa các bộ phận hay không.

Các nhà nghiên cứu tin rằng vì dòng không khí và nước có thể dẫn động tua bin và các thiết bị khác nên về mặt lý thuyết, dòng chất lỏng được kiểm soát chính xác cũng có thể đảm nhận chức năng của răng bánh răng truyền thống. Để xác minh ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm chi tiết, sử dụng một rôto hình trụ nhúng trong hỗn hợp glycerin và nước để kiểm soát đặc tính chuyển động của chất lỏng bằng cách điều chỉnh độ nhớt và mật độ của chất lỏng.

Trong thí nghiệm, một rôto hình trụ được dẫn động để quay bằng nguồn điện bên ngoài, trong khi rôto hình trụ còn lại vẫn thụ động. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng chuyển động của rôto chủ động sẽ tạo ra một trường dòng chảy trong chất lỏng, trường này sẽ làm quay rôto thụ động. Để quan sát trực quan hơn cách chất lỏng truyền năng lượng, nhóm nghiên cứu còn thêm các bong bóng nhỏ vào chất lỏng để hiển thị quỹ đạo dòng chảy; đồng thời, họ cũng kiểm tra hiệu suất trong các khoảng cách rôto khác nhau và các điều kiện tốc độ khác nhau.

Kết quả cho thấy sự tương tác giữa xi lanh quay và chất lỏng xung quanh thực sự có thể mô phỏng các loại hệ thống truyền động cơ học khác nhau. Khi hai xi lanh ở gần nhau, chất lỏng hoạt động giống như các răng lồng vào nhau giữa các bánh răng truyền thống, khiến rôto thụ động quay theo hướng ngược lại. Khi khoảng cách giữa hai xi lanh xa hơn và rôto chủ động quay nhanh hơn, chất lỏng tác dụng lên rôto thụ động theo cách tương tự như dây đai quấn ròng rọc, khiến hai rôto quay cùng chiều.

Nhóm nghiên cứu tin rằng giải pháp bánh răng dựa trên chất lỏng này có một số lợi thế tiềm năng so với bánh răng truyền thống. Leif Ristroph, phó giáo sư tại Viện Toán học, Khoa học tính toán và Dữ liệu Courant của Đại học New York, cho biết các bánh răng thông thường phải được thiết kế chính xác để đảm bảo các răng ăn khớp chính xác. Bất kỳ khiếm khuyết, lỗi khoảng cách hoặc các hạt nhỏ đều có thể gây nhiễu; "Bánh răng lỏng" không gặp phải những vấn đề này, tốc độ và hướng quay của chúng cũng có thể đạt được những điều chỉnh mà các bánh răng cơ học truyền thống khó đạt được.