Lịch sử 5.000 năm của bánh răng sắp được viết lại: Không còn nỗi lo mài mòn hay bị kẹt

Trong suốt hơn 5.000 năm, bánh răng với những chiếc răng kim loại đan khớp vào nhau đã là nền tảng của hầu hết các máy móc mà con người tạo ra. Từ những cỗ xe chỉ hướng Nam của Trung Quốc cổ đại đến các nhà máy hiện đại, bánh răng luôn là giải pháp không thể thay thế để truyền chuyển động.

Nhưng giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học New York đã phát triển một loại bánh răng hoàn toàn mới có thể chấm dứt những hạn chế đã tồn tại suốt hàng thiên niên kỷ này.

Vào khoảng thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, các nhà toán học và kỹ sư Trung Quốc đã phát triển hệ thống bánh răng vi sai đầu tiên trên thế giới. Họ sử dụng nó trong một thiết bị cơ khí kỳ diệu được gọi là "xe chỉ Nam" - một cỗ xe có kim chỉ luôn luôn hướng về phía nam bất kể xe rẽ theo hướng nào.

Vài thế kỷ sau, thế giới phương Tây cũng đã triển khai một màn trình diễn phức tạp các bánh răng trong cơ chế Antikythera - một máy tính nguyên thủy mà các nhà khoa học vẫn đang cố gắng giải mã cho đến ngày nay.

Thế nhưng dù được chế tạo bằng vật liệu bền bỉ đến đâu, bánh răng truyền thống vẫn phải đối mặt với nguy cơ mài mòn, gãy răng, kẹt do bụi bẩn hoặc sai lệch khi lắp ráp. Những vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng trong các hệ thống phức tạp, nơi chỉ một sai số nhỏ cũng có thể làm toàn bộ cơ cấu ngừng hoạt động.

Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng ngay cả những cỗ máy cơ khí tinh vi của thời cổ đại cũng khó vận hành bền bỉ chính vì sự phụ thuộc tuyệt đối vào độ chính xác của răng bánh.

Nhận thức được điểm yếu này, Jun Zhang cùng với đồng nghiệp Leif Ristroph và nghiên cứu sinh Jesse Etan Smith đã tìm kiếm một cách thiết kế bánh răng tốt hơn. Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu đã phát minh ra một loại bánh răng hoàn toàn mới mà họ gọi là "bánh răng chất lỏng."

"Chúng tôi đã phát minh ra những loại bánh răng mới hoạt động bằng cách quay dòng chất lỏng thay vì răng đan khớp," Zhang giải thích, "và chúng tôi đã khám phá ra khả năng mới để kiểm soát tốc độ quay và thậm chí cả hướng quay." Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng dòng chảy chính xác của nước, hoặc thậm chí không khí, có thể xoay bánh răng đủ chính xác để thay thế cho bánh răng có răng.

Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà khoa học đã nhúng các rotor vào dung dịch glycerol-nước, cho phép họ tinh chỉnh độ nhớt. Giống như hầu hết các thiết bị bánh răng, một trong các bánh răng được cung cấp năng lượng trong khi bánh răng thứ hai vẫn thụ động. Nhóm nghiên cứu thêm bọt khí vào hỗn hợp để theo dõi chuyển động của chất lỏng.

Những gì họ phát hiện thật đáng kinh ngạc. Các dòng chảy được tạo ra bởi cơ cấu hoạt động có thể được điều khiển để ảnh hưởng tinh tế đến bánh răng thứ hai theo nhiều cách khác nhau. Nếu các bánh răng ở gần nhau, dòng chảy hoạt động giống như răng thông thường, khiến bánh răng thứ hai quay theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, đặt các bánh răng xa nhau hơn, và dòng chảy yếu đi thay vào đó hoạt động như một ròng rọc.

"Bánh răng thông thường phải được thiết kế cẩn thận để răng của chúng khớp chính xác, và bất kỳ khuyết tật nào hay khoảng cách không chính xác, hoặc chút bụi bẩn nào cũng khiến chúng bị kẹt," Ristroph nói. "Bánh răng chất lỏng không gặp phải tất cả những vấn đề này, và tốc độ cũng như hướng quay có thể được thay đổi theo những cách không thể thực hiện được với bánh răng cơ khí."

Đây chính là điểm đột phá lớn nhất. Không giống như bánh răng kim loại cố định, các cơ chế dựa trên chất lỏng này có thể tự động điều chỉnh tỷ lệ tốc độ và thậm chí chuyển đổi hướng quay theo yêu cầu. Đơn giản chỉ bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các rotor hoặc vận tốc dòng chảy của chất lỏng, hệ thống có thể chuyển từ quay ngược chiều như bánh răng cổ điển sang quay cùng chiều như hệ thống đai và ròng rọc.

Dù còn ở giai đoạn nghiên cứu, phát minh này cho thấy cuối cùng sau hàng nghìn năm lịch sử, dường như câu nói "Đừng phát minh lại bánh xe" có thể không còn đúng nữa. Có thể các nhà khoa học chưa phát minh lại bánh xe, nhưng động lực đằng sau chuyển động của mỗi bánh xe đã được định nghĩa lại. Nếu được ứng dụng rộng rãi, bánh răng chất lỏng có thể mở ra một chương mới cho cơ khí hiện đại, nơi chuyển động không còn gắn liền với tiếng kim loại cọ xát, mà được dẫn dắt bởi những dòng chảy vô hình nhưng chính xác.