Un nouveau mécanisme d’engrenages utilise des fluides à la place de « dents » imbriquées pour générer des mouvements rotatifs. Cette approche permettrait d’obtenir une plus grande flexibilité et une durabilité supérieures aux engrenages conventionnels, notamment en ne nécessitant pas de structures susceptibles de se casser ou de se bloquer facilement en cas de défaut d’alignement ou de dépôts d’impuretés. Le nouveau système pourrait ainsi inspirer une nouvelle catégorie d’engrenages présentant plusieurs avantages par rapport à ceux actuels.
Les engrenages mécaniques figurent parmi les plus anciennes pièces de machines, leur origine remontant, parmi les premières utilisations connues, à l’an 3 000 avant notre ère, en Chine. Ils permettent de transmettre de l’énergie mécanique et d’accomplir de nombreuses tâches mécaniques pénibles en étant interconnectés. Ils constituent d’ailleurs un important reflet des progrès technologiques des civilisations humaines, leur utilisation allant des chars à deux roues aux moulins à vent et à eau de l’Antiquité, en passant par les horloges et les pendules de prédiction astronomique telles que le célèbre mécanisme d’Anticythère.
Ils ont été utilisés pour les machines à vapeur qui ont contribué à la révolution industrielle et sont désormais intégrés à des appareils modernes dans les secteurs automobile, aérospatial et robotique. Cependant, malgré les innombrables avancées auxquelles ils ont contribué, les engrenages classiques comportent toujours certaines limites : leurs dents, qu’elles soient en bois, en métal ou en plastique, manquent de flexibilité et sont donc susceptibles de se casser en cas de défaut d’alignement. Elles doivent s’emboîter parfaitement pour fonctionner.
Pour surmonter ces limites, les recherches actuelles se concentrent sur l’amélioration des matériaux afin de développer des systèmes plus flexibles tout en restant efficaces, ainsi que sur la réduction des déchets. Une équipe de l’Université de New York (NYU) propose un nouveau système d’engrenage fluide qui pourrait satisfaire ces deux objectifs à la fois.
« Nous avons inventé de nouveaux types d’engrenages qui s’enclenchent en faisant tourner un fluide plutôt qu’en imbriquant des dents, et nous avons découvert de nouvelles possibilités pour contrôler la vitesse de rotation et même la direction », explique, dans un billet de blog de l’université, Jun Zhang, professeur de mathématiques et de physique à NYU et à NYU Shanghai et auteur principal de l’étude détaillant le système — publiée mardi 13 janvier dans Physical Review Letters.
Des mouvements polyvalents selon la distance
Pour développer son concept, l’équipe de Jun Zhang a cherché à savoir s’il était possible de fabriquer des dispositifs fonctionnant comme des engrenages, mais qui n’auraient ni dents ni contact direct entre eux. Les chercheurs ont pour cela exploré les mouvements de l’air et de l’eau, déjà utilisés pour faire tourner diverses structures comme les turbines. Ils ont avancé l’hypothèse selon laquelle les fluides pourraient aussi servir de dents d’engrenage si leurs flux pouvaient être dirigés avec précision.
Pour étayer cette hypothèse, les experts ont mené une série d’expériences consistant à immerger des cylindres, ou rotors, de tailles diverses dans un liquide spécifique : une solution de glycérol et d’eau dont les propriétés — telles que la viscosité et la densité — peuvent être contrôlées avec précision. Des mouvements rotatifs ont été induits dans un cylindre principal à l’aide d’un moteur, tandis qu’un autre cylindre, placé à proximité, restait inactif. L’hypothèse est que le cylindre actif peut générer des mouvements dans le fluide qui, à leur tour, enclenchent la rotation du cylindre passif.
Afin de suivre avec précision les mouvements du fluide et d’analyser son comportement en tant qu’engrenage, de très fines bulles y ont été injectées. Les expériences ont également été menées en faisant varier la distance entre les cylindres ainsi que la vitesse de rotation du cylindre actif.
Les résultats ont montré que les mouvements induits dans le fluide par le cylindre actif entraînaient le cylindre passif, soit à la manière d’engrenages, soit à celle de poulies reliées par une courroie. Plus précisément, lorsque les cylindres étaient très proches l’un de l’autre, les flux de liquide agissaient comme des dents s’emboîtant sur les faces opposées de deux engrenages et les faisaient tourner. Autrement dit, les tourbillons générés par le liquide pouvaient accrocher le cylindre passif et le faire tourner dans le sens inverse de celui du cylindre actif.
En revanche, lorsque les cylindres étaient plus éloignés et que le cylindre actif tournait plus vite, les flux du liquide formaient une boucle autour de l’extérieur du cylindre passif, à la manière d’une courroie autour d’une poulie, qui tournait alors dans le même sens que le cylindre actif. D’après les chercheurs, ces caractéristiques offriraient des avantages notables par rapport aux systèmes conventionnels.
« Les engrenages classiques doivent être conçus avec une grande précision pour que leurs dents s’engrènent parfaitement, et le moindre défaut, un espacement incorrect ou une impureté quelconque peut les bloquer », explique Leif Ristroph, professeur associé de mathématiques à l’école de mathématiques, d’informatique et de science des données du Courant Institute de la NYU et coauteur de l’étude. « Les engrenages fluides sont exempts de tous ces problèmes, et la vitesse, voire le sens de rotation, peuvent être modifiés d’une manière impossible avec des engrenages mécaniques », conclut-il.
Vidéo de présentation de l’étude :