Engranajes sin dientes: ingenieros crean mecanismos que giran gracias solo a fluidos
Durante miles de años, los engranajes han dependido de dientes sólidos que encajan con precisión milimétrica. Ahora, un equipo de ingenieros ha demostrado que el movimiento también puede transmitirse sin contacto, utilizando solo la dinámica invisible de los fluidos.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Dos rotores dentro de un recipiente circular lleno de líquido, con burbujas que permiten visualizar los flujos: el de la izquierda gira impulsado por un motor, mientras que el de la derecha rota de forma pasiva arrastrado por el movimiento del fluido. Imagen: Laboratorio de Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Nueva York.
Un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York ha logrado algo que, hasta ahora, parecía reservado a la ingeniería de ciencia ficción: crear engranajes sin dientes.
En lugar de piezas rígidas que encajan entre sí, su mecanismo se basa en fluidos en movimiento capaces de transmitir rotación, velocidad e incluso cambiar el sentido de giro. El hallazgo, publicado en la revista Physical Review Letters, abre la puerta a una nueva generación de dispositivos mecánicos más flexibles y duraderos que los engranajes tradicionales, cuyo diseño esencial apenas ha cambiado desde hace milenios.
«Inventamos nuevos tipos de engranajes que se acoplan haciendo girar un fluido en lugar de entrelazar dientes, y descubrimos nuevas capacidades para controlar la velocidad de rotación e incluso la dirección», explica Jun Zhang, profesor de Matemáticas y Física en la Universidad de Nueva York (Estados Unidos) y en la NYU Shanghai (China), y autor principal del estudio.
La afirmación de Zhang resume el alcance del avance científico: sustituir el contacto sólido por interacciones hidrodinámicas cuidadosamente controladas.
Un problema antiguo de la ingeniería
Los engranajes son una de las piezas mecánicas más antiguas de la historia de la tecnología. Sus orígenes se remontan a alrededor del año 3000 antes de nuestra era, en la China antigua, donde se empleaban en carros de dos ruedas para atravesar el desierto del Gobi.
Con el tiempo, estos mecanismos aparecieron en artefactos tan sofisticados como el mecanismo de Anticitera, capaz de predecir posiciones astronómicas en la Grecia clásica, y más tarde en molinos de viento, en relojes y, en la actualidad, en robots de todo tipo.
Sin embargo, su principio básico —dientes rígidos que deben encajar con extrema precisión— también es su mayor debilidad: la inflexibilidad. Cualquier defecto, desgaste o partícula extraña puede provocar roturas o bloqueos.
Fragmento principal de la máquina de Anticitera. El mecanismo consiste en un sistema complejo de 32 ruedas y placas con inscripciones relativas a los signos del zodiaco, meses, eclipses y juegos pan-Helénicos. El estudio de los fragmentos, que se exhiben en Museo Arqueológico Nacional de Atenas, sugiere que se trataba de una especie de astrolabio utilizado para la navegación marítima.
Engranajes que no se tocan: la idea de los fluidos
Conscientes de estas limitaciones, Zhang y sus colegas Leif Ristroph, profesor de Matemáticas en el Instituto Courant de la NYU, y Jesse Etan Smith, doctorando, se plantearon una pregunta radical: ¿es posible construir dispositivos mecánicos que funcionen como engranajes pero sin dientes y sin necesidad de contacto directo?
La inspiración vino de un ámbito conocido: desde hace siglos, el aire y el agua en movimiento se utilizan para hacer girar turbinas. ¿Podrían los fluidos desempeñar el papel de los dientes si se lograba dirigir su flujo con precisión?
El experimento: cilindros, glicerol y flujos invisibles
Para poner a prueba la idea, los investigadores diseñaron una serie de experimentos minuciosos. Sumergieron cilindros —o rotores— en una solución de glicerol y agua, un fluido cuya viscosidad y densidad podían ajustar a voluntad.
En cada experimento, uno de los cilindros era impulsado activamente mientras el otro permanecía pasivo. La hipótesis era que el rotor activo generaría corrientes en el fluido capaces de inducir el giro del pasivo.
Para visualizar estos movimientos invisibles, añadieron burbujas microscópicas a la mezcla, lo que les permitió seguir el recorrido de los flujos y observar cómo el fluido actuaba, literalmente, como un engranaje fluido.
Cuando el fluido actúa como dientes o como correa
Los ensayos se realizaron variando tanto la distancia entre los cilindros como la velocidad de rotación del rotor activo. Los resultados mostraron un comportamiento sorprendentemente versátil.
En algunas configuraciones, el sistema se comportaba como un par de engranajes clásicos; en otras, recordaba más a dos poleas unidas por una correa. Cuando los cilindros estaban muy próximos, los remolinos de fluido actuaban como dientes invisibles que se enganchaban entre sí, haciendo que el rotor pasivo girara en sentido contrario al activo.
En cambio, cuando la separación era mayor y el cilindro activo giraba más rápido, el flujo rodeaba al pasivo como una cinta continua, provocando que ambos rotaran en la misma dirección.
Un sistema experimental desarrollado en la Universidad de Nueva York muestra cómo dos rotores pueden girar impulsados por el flujo de agua, a veces en la misma dirección, como sucede en este vídeo, de forma similar a dos poleas unidas por una correa invisible.
Aplicaciones y ventajas frente a los engranajes tradicionales
Las posibles aplicaciones de este tipo de mecanismos son amplias, según sus autores, y podrían superar algunas de las restricciones más persistentes de la mecánica clásica.
🗣️ «Los engranajes convencionales tienen que diseñarse con mucho cuidado para que sus dientes encajen a la perfección, y cualquier defecto, separación incorrecta o grano de suciedad hace que se atasquen —señala Ristroph—. Los engranajes fluidos están libres de todos estos problemas, y la velocidad e incluso la dirección pueden cambiarse de maneras que no son posibles con engranajes mecánicos».
Más allá de su elegancia conceptual, el trabajo sugiere un futuro en el que máquinas más suaves, adaptables y resistentes aprovechen las propiedades de los fluidos para transmitir movimiento. Un recordatorio de que, incluso en tecnologías tan antiguas como los engranajes, todavía hay margen para innovar y reinventar lo aparentemente inmutable.▪️
Información facilitada por la NYU
Fuente: Jesse Etan Smith, Leif Ristroph and Jun Zhan. Hydrodynamic Spin-Coupling of Rotors. Physical Review Letters (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/m6ft-ll2c
