뉴욕 대학교 연구팀은 최근 새로운 "액체 기어" 시스템을 개발했습니다. 이 장치에서는 기존 기어의 물리적 톱니가 서로 맞물릴 필요가 없습니다. 대신, 유체 운동을 통해 회전력을 전달하므로 기계 장비에 대한 적응성과 내구성이 향상될 것으로 기대됩니다.
이번 연구는 뉴욕대 수학과 물리학 교수이자 상하이 뉴욕대 교수인 장준(Zhang Jun)이 주도했다. 관련 결과는 "Physical Review Letters"에 게재되었습니다. 연구진은 "맞물림"을 위해 톱니에 의존하는 대신 구동 유체 회전에 의존하는 새로운 유형의 기어 시스템을 발명했으며 이 설계가 회전 속도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 회전 방향도 조정할 수 있음을 발견했다고 말했습니다.
기계 시스템의 기본 구성 요소인 기어는 수천 년의 역사를 가지고 있습니다. 최초의 흔적은 고비사막을 횡단하는 이륜 마차에 사용되었던 기원전 3000년경 중국으로 거슬러 올라갑니다. 이후 고대 그리스의 안티키테라 메커니즘, 풍차, 시계, 현대 로봇 등 다양한 장치에 기어가 널리 등장했습니다.
그러나 기존 기어에는 오랫동안 특정 제한이 있었습니다. 재료가 목재, 금속, 플라스틱인지에 관계없이 치아 구조 자체는 상대적으로 단단하고 쉽게 손상됩니다. 동시에 위치가 정확하게 정렬되어야 합니다. 그렇지 않으면 작동 효과가 영향을 받을 수 있습니다. 이 때문에 연구팀은 물리적 톱니나 부품 간의 직접적인 접촉 없이도 기어와 같은 변속기 동작이 달성될 수 있는지 여부를 조사하기 시작했습니다.
연구원들은 공기와 물의 흐름이 터빈과 기타 장치를 구동할 수 있기 때문에 정밀하게 제어되는 유체 흐름이 이론적으로 전통적인 기어 톱니의 기능을 가정할 수 있다고 믿습니다. 이 아이디어를 검증하기 위해 연구팀은 글리세린과 물의 혼합물에 담긴 원통형 로터를 사용하여 액체의 점도와 밀도를 조정하여 유체의 운동 특성을 제어하는 상세한 실험을 수행했습니다.
실험에서는 하나의 원통형 회전자가 외부 동력에 의해 회전하도록 구동되고 다른 하나는 수동적으로 유지되었습니다. 연구원들은 능동 로터의 움직임이 액체에 유동장을 생성하여 수동 로터를 회전시킬 것이라고 예측했습니다. 유체가 어떻게 힘을 전달하는지 보다 직관적으로 관찰하기 위해 팀은 액체에 작은 거품을 추가하여 흐름 궤적을 표시했습니다. 동시에 그들은 다양한 로터 간격과 다양한 속도 조건에서 성능을 테스트했습니다.
결과는 회전하는 실린더와 주변 액체 사이의 상호 작용이 실제로 다양한 유형의 기계적 전달 시스템을 시뮬레이션할 수 있음을 보여줍니다. 두 개의 실린더가 서로 가까이 있으면 액체가 기존 기어 사이의 맞물리는 톱니처럼 작용하여 수동 로터가 반대 방향으로 회전하게 됩니다. 두 실린더 사이의 거리가 더 멀고 능동 로터가 더 빠르게 회전하면 액체는 도르래를 감싸는 벨트와 유사한 방식으로 수동 로터에 작용하여 두 로터가 같은 방향으로 회전하게 됩니다.
연구팀은 이 유체 기반 기어 솔루션이 기존 기어에 비해 몇 가지 잠재적인 이점을 가지고 있다고 믿습니다. 뉴욕 대학교 산하 쿠란트 수학, 전산 및 데이터 과학 연구소의 부교수인 레이프 리스트로프(Leif Ristroph)는 일반 기어는 톱니가 정확하게 일치하도록 정밀하게 설계되어야 한다고 말했습니다. 결함, 간격 오류 또는 작은 입자로 인해 용지 걸림이 발생할 수 있습니다. "액체 기어"에는 이러한 문제가 없으며 속도와 회전 방향도 기존 기계식 기어로는 달성하기 어려운 조정이 가능합니다.