Scientific Reports: Создан новый храповик с геометрически симметричной шестерней

Храповой механизм — это система преобразования энергии. Она превращает беспорядочное или случайное движение в упорядоченное, направленное. Важнейший компонент механических систем состоит из шестерни и защёлки, которая ограничивает движение шестерни в одном направлении.

Концепция броуновского храповика предложена для понимания работы молекулярных двигателей в биологических системах. В них химические реакции выпрямляют случайное тепловое движение молекул.

По второму закону термодинамики равномерные тепловые колебания не могут создать упорядоченное движение. Поэтому для работы броуновских храповиков нужны неравновесные флуктуации.

В биологических системах химические реакции модулируют тепловое движение и создают нетепловые колебания, которые важны для храпового механизма. Определение типов неравновесных движений, с которыми может справиться храповой механизм — это интересная и важная научная задача. Она может помочь в создании новых технологий по сбору энергии.

Храповик Фейнмана-Смолуховского — пример активного броуновского храповика. Это привело к многочисленным исследованиям храповых двигателей. В большинстве этих исследований предполагается использовать асимметричный храповик для выравнивания нетепловых флуктуаций, возникающих из-за механических колебаний.

Исследователи из Университета Дошиша создали новый храповой механизм. Руководили работой аспирант Мику Хататани и доценты Ямамото Дайго и Акихиса Шиои.

В основе механизма — асимметрия смачиваемости поверхности симметричной шестерни. Это отличает разработку от традиционных храповиков.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Команда разработала инновационный храповой механизм — симметричную шестерёнку из ABS-смолы с шестью зубцами в форме треугольников.

К правой стороне каждого зубца прикреплена парафиновая плёнка. Это создаёт разницу в смачиваемости поверхности между двумя сторонами зубцов.

Чтобы провести испытания, шестерёнку поместили в чашку Петри, наполненную водой, и закрепили булавкой. Чашку поставили на вибрирующий диск, который колебался в вертикальном направлении с заданной частотой, создавая случайные колебания воды.

В чашке с водой шестерёнка с парафином вращалась только в одну сторону, а без парафина — не вращалась вообще.

Вращение первой шестерёнки зависело от её формы: если посмотреть на неё с одной стороны, вращение будет по часовой стрелке, а с другой — против. На коротких промежутках времени она колебалась в обе стороны, а на длинных — вращалась в одном направлении.

Исследователи изучили, как работает этот инновационный храповый двигатель. Они выяснили, что его уникальное движение создаётся случайным процессом со смещённой движущей силой. Эта сила возникает из-за разницы между двумя поверхностями: параплёнкой и зубьями шестерни. Параплёнка гладкая, а поверхность зубьев шестерни шероховатая.

Хататани отмечает, что это исследование может привести к созданию новой конструкции храпового двигателя. Такая система способна собирать энергию за счёт вибрационного шума и мотора микрометрового размера в микрофлюидном устройстве.

Работа также может вдохновить на дальнейшие разработки, которые приведут к созданию совершенно новых технологий сбора энергии.

20.08.2024