美媒：“液體齒輪”，沒齒也能轉(zhuǎn)

來源：環(huán)球時(shí)報(bào)

美國“每日科技”網(wǎng)站4月23日文章，原題：科學(xué)家創(chuàng)造出無需接觸即可旋轉(zhuǎn)的“液體齒輪” 近日，美國紐約大學(xué)和中國上海紐約大學(xué)的研究人員在美國《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表論文，展示了一種液體齒輪系統(tǒng)，利用流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，有望催生出比傳統(tǒng)齒輪更具適應(yīng)性和耐用性的機(jī)械裝置。

齒輪作為機(jī)械的基本組成部分已有數(shù)千年歷史，最早的齒輪可以追溯到幾千年前的中國，當(dāng)時(shí)人們用齒輪制造戰(zhàn)車，馳騁于戈壁沙漠。幾個(gè)世紀(jì)以來，齒輪在各種裝置中都發(fā)揮著重要作用。盡管傳統(tǒng)齒輪歷史悠久，但它們也存在局限性。無論是木質(zhì)、金屬還是塑料材質(zhì)的齒輪都非常硬，容易損壞，而且必須要兩個(gè)或多個(gè)齒輪的輪齒精確對(duì)齊才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

“我們發(fā)明的新型齒輪通過流體旋轉(zhuǎn)，而不是齒輪的輪齒之間相互嚙合來實(shí)現(xiàn)運(yùn)作，我們還發(fā)現(xiàn)了它控制旋轉(zhuǎn)速度甚至方向的新功能，”紐約大學(xué)和上海紐約大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)教授、該論文的資深作者張軍（音）說。張軍與紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)、計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院的數(shù)學(xué)副教授萊夫·里斯特羅夫、紐約大學(xué)研究人員杰西·伊坦·史密斯合作，探索是否可以在沒有物理上的輪齒直接接觸的情況下實(shí)現(xiàn)齒輪的功能。流動(dòng)的空氣和水能夠驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)等系統(tǒng)，給了研究人員靈感。他們提出，精心控制的流體也可以有效地起到齒輪的作用。

研究團(tuán)隊(duì)利用浸沒在甘油和水混合液體中的圓柱體轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)流體的密度等特性，他們能夠控制流體的行為。在流體齒輪實(shí)驗(yàn)裝置中，研究人員設(shè)置了兩個(gè)圓柱體，一個(gè)圓柱體被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而另一個(gè)圓柱體最開始保持靜止。研究人員預(yù)測，旋轉(zhuǎn)圓柱體的運(yùn)動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)靜止圓柱體旋轉(zhuǎn)。為了觀察這些流動(dòng)，他們?cè)谝后w中引入了微小氣泡，以便觀察流體如何傳遞運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)在不同的圓柱體間距和不同的旋轉(zhuǎn)速度下進(jìn)行。研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，流體中的圓柱體能與另一個(gè)圓柱體向著同一方向旋轉(zhuǎn)；在另一些條件下，它可以朝相反方向旋轉(zhuǎn)。

結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)圓柱體與周圍流體的相互作用可以模擬不同的機(jī)械系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)圓柱體間距較近時(shí)，流體如同傳統(tǒng)齒輪的嚙合齒，使另一個(gè)圓柱體反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)圓柱體間距較大且主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓柱體轉(zhuǎn)速更快時(shí)，流體則像皮帶輪系統(tǒng)一樣包裹在另一個(gè)圓柱體周圍，使二者同向旋轉(zhuǎn)。“普通齒輪必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，才能保證輪齒嚙合精準(zhǔn)，任何缺陷、間距不當(dāng)或一點(diǎn)點(diǎn)沙礫都會(huì)導(dǎo)致卡死，”里斯特羅夫說，“液體齒輪則完全避免了這些問題，還能以機(jī)械齒輪無法實(shí)現(xiàn)的方式改變轉(zhuǎn)速甚至方向。”（作者詹姆斯·德維特，張亮譯）