Engrenagens líquidas: cilindros giratórios transmitem movimento sem dentes, mostra a NYU

Uma equipa de engenheiros demonstrou que componentes em rotação conseguem transmitir movimento apenas através de um líquido, sem engrenagens, sem dentes e sem contacto físico.

Ao acionar um cilindro liso imerso num fluido, os investigadores fizeram um segundo cilindro, próximo, começar a girar de formas previsíveis - incluindo a inversão do sentido - usando somente o escoamento controlado entre os dois.

O achado sugere uma nova categoria de acoplamentos mecânicos capazes de transferir velocidade e sentido através de folgas, tolerar desalinhamentos e contornar o desgaste, o encravamento e as quebras que limitam engrenagens tradicionais.

Bolhas desenham o escoamento

Num tanque transparente em forma de anel, dois cilindros lisos foram submersos num líquido espesso ao qual se adicionaram minúsculas bolhas.

Ao girar um dos cilindros com um motor, Jun Zhang, da New York University (NYU), observou o outro cilindro entrar em rotação.

Em cada teste, o cilindro passivo variou a velocidade e chegou até a inverter o sentido conforme Zhang ajustava a distância entre eles e a taxa de acionamento.

Esse nível de controlo indicava que o escoamento do líquido poderia cumprir o papel de dentes de engrenagem - desde que o fluido ao redor se mantivesse estável.

Aderência a curta distância

Quando os cilindros ficaram muito próximos, os rotores - cilindros giratórios que transmitem movimento - passaram a um regime confiável de rotação em sentidos opostos.

Entre as paredes voltadas uma para a outra, o líquido organizou-se em faixas estreitas de circulação, empurrando um lado para a frente e puxando o outro para trás.

Os rastos das bolhas permaneceram confinados nesse vão, permitindo que a equipa visualizasse o padrão de rotação “travar” enquanto a velocidade se mantinha constante.

Em velocidades de acionamento mais altas, porém, o escoamento começou a escorregar em vez de travar, e o acoplamento perdeu força à medida que os cilindros se afastavam.

O escoamento dá a volta

Com maior separação e acionamento mais rápido, o líquido deixou de ficar preso no vão e passou a contornar o rotor passivo.

Esse circuito externo arrastou a superfície do cilindro passivo para a frente, gerando corotação - ambos girando ao mesmo tempo no mesmo sentido.

O movimento em laço externo continuou a funcionar mesmo com pequenas mudanças na distância, porque o fluxo principal já não precisava se comprimir entre duas paredes.

Esse modo lembrou mais uma transmissão por correia, sugerindo que um fluido pode transferir rotação através de uma folga que faria engrenagens travarem.

A velocidade inverte o sentido

Entre os regimes de rotação oposta e de rotação no mesmo sentido, o sistema atingiu pontos de transição bem definidos, nos quais o cilindro passivo mudava abruptamente a forma de girar.

As paredes do recipiente direcionavam o líquido em movimento, forçando o escoamento a escolher entre se espremer no vão entre os cilindros ou formar um laço pelo lado de fora.

À medida que o cilindro acionado aumentava a rotação, esses caminhos do escoamento reorganizavam-se e empurravam o conjunto para um tipo diferente de movimento.

Reversões tão súbitas indicam que um dispositivo poderia mudar o sentido sem inverter o motor, embora os pontos exatos de comutação dependessem da configuração.

Engrenagens antes disso

Registos escritos situam engrenagens com dentes em Alexandria por volta do século III a.C., quando mecânicos gregos construíram trens de engrenagens compactos.

Esses trens permitiram converter uma rotação contínua em movimentos temporizados, alimentando relógios de água, moinhos e outras máquinas antigas.

Um exemplo, o Mecanismo de Anticítera, empregava rodas de bronze interligadas para prever eclipses lunares e solares na Grécia Antiga.

Durante milhares de anos, engenheiros continuaram a depender de dentes sólidos, porque nada mais oferecia um movimento tão previsível.

Por que os dentes encravam

Dentes mecânicos exigem alinhamento quase perfeito; assim, desgaste ou detritos podem transformar uma transmissão suave num sistema propenso a travar.

Além disso, dentes rígidos concentram a força em pontos pequenos de contacto, de modo que uma única fissura pode se propagar e partir o par inteiro.

Engrenagens baseadas em fluidos evitam os encravamentos e as quebras que afetam sistemas tradicionais, ao mesmo tempo em que permitem mudanças de velocidade e de sentido de maneiras que engrenagens sólidas não conseguem.

Ao eliminar o contacto direto entre dentes, uma engrenagem fluida poderia continuar a operar mesmo com pequenos danos, ainda assim transmitindo a rotação adiante.

Controlo sem dentes

Em vez de redesenhar peças metálicas, engenheiros poderiam ajustar uma engrenagem fluida alterando o próprio líquido e a distância entre os componentes.

Uma viscosidade mais alta - uma medida de quão “espesso” o fluido parece - fez o escoamento aderir por mais tempo às superfícies e mudou a resposta do sistema.

“Inventamos novos tipos de engrenagens que engrenam ao colocar o fluido em rotação em vez de interligar dentes, e descobrimos novas capacidades para controlar a velocidade de rotação e até o sentido”, disse Zhang.

Esse tipo de ajuste poderia permitir que uma máquina transitasse suavemente entre um movimento lento com alto torque e uma rotação rápida, sem precisar de estágios adicionais de engrenagens.

Onde isso ajuda

Em robôs compactos, projetistas muitas vezes colocam caixas de engrenagens perto das juntas, onde poeira, areia ou óleos da pele podem entrar.

Uma ligação baseada em fluido poderia manter as partes móveis separadas por uma pequena folga, deixando a sujeira circular e passar em vez de ficar presa.

Atuadores de robótica macia também podem ganhar com isso, porque o acoplamento líquido distribui melhor as forças e reduz pontos rígidos de beliscão.

Transmissões fluidas seladas podem ser úteis em ferramentas subaquáticas e dispositivos de laboratório, mas engenheiros precisariam de materiais que resistam a vazamentos.

Próximos passos para engrenagens líquidas

Transmitir movimento por meio de um líquido não é gratuito. Parte da energia se perde com o deslocamento do fluido, e variações de temperatura podem mudar o quão fortemente o movimento passa de um componente para outro.

Pequenos vazamentos, ar preso ou fluido contaminado também podem interromper o escoamento, tornando projetos do mundo real mais difíceis de manter consistentes.

Antes que esses sistemas cheguem a máquinas do dia a dia, será necessário demonstrar que conseguem operar de forma confiável sem ajustes constantes.

Um par simples de cilindros em rotação transformou o líquido num conector controlável, mostrando que o movimento pode ser transmitido pelo próprio escoamento.

Projetos futuros vão testar redes maiores de rotores e precisarão equilibrar flexibilidade contra perdas de energia e vazamentos.

Crédito da imagem: Laboratório de Mecânica Aplicada da NYU.