Ett experiment av EPFL-forskare har bekräftat en teori som har använts inom mekanik i över ett halvt sekel – trots att den aldrig har blivit helt validerad. Teamet kunde nu använda teorin på djärvare och mer innovativa sätt i sin strävan att utveckla allt bättre energisystem.

Vissa teorier används ofta även om de aldrig har validerats experimentellt. Ett exempel är den så kallade narrow groove-teorin, eller NGT, som förklarar hur luftsmorda lager fungerar i mekaniska system.

Teorin föreslogs 1965 men, tills nyligen, den hade bara testats delvis eller indirekt. Forskare vid EPFL:s Laboratory for Applied Mechanical Design (LAMD), baserad på Microcity i Neuchâtel, har nu täppt till en lucka som har funnits i den vetenskapliga litteraturen i över 50 år. Teamet har publicerat sina resultat i tidskriften Mekaniska system och signalbehandling .

Varför tog det så lång tid att validera teorin? "Just då, ingenjörer var nöjda med att observera att teorin fungerade, " säger Eliott Guenat, doktorand vid EPFL och tidningens huvudförfattare. "Men det har förändrats, eftersom de mekaniska delarna vi utvecklar idag är mycket mer avancerade och komplicerade."

Teorin om smala spår föreslogs 1965 av J. H. Vohr och C. Y. Chow, två ingenjörer vid New York-baserade Mechanical Technology, Inc. Teorin förklarar hur fiskbenslager med räfflade lager fungerar, eller HGJBs—en typ av luftsmorda lager som stödjer roterande delar i mekaniska system. Det finns många olika typer av lager, men HGJB har det mest löfte om att utveckla roterande maskiner med ultrahög hastighet eftersom rotorn stöds av en luftkudde som genereras av den roterande axeln. "Det som gör HGJB:s speciella är att de inte orsakar slitage eftersom det inte finns någon kontakt, " förklarar Jürg Schiffmann, som leder LAMD. "I mitt labb, vi använder den här designen för att utveckla framtidens energisystem."

Validerar teorin

För att validera teorin om smala spår, forskarna monterade en rötor som stöddes av flera HGJB på en testrigg, ställ in den på 100, 000 varv per minut. Nästa, de använde ett skaksystem för att vibrera rotorn och såg hur den reagerade. Observationerna gjorde det möjligt för dem att beräkna lagrens styvhet och dämpningskoefficienter, som de jämförde mot teorins förutsägelser. De fann att NGT tenderade att marginellt överskatta båda värdena.

"Vi kunde kvantifiera i vilken utsträckning teorin håller, " säger Guenat. "Nu när vi har stärkt vår förståelse, vi kan ta teorin och tillämpa den i industri och forskning på nya sätt."

Guenat planerar att genomföra fler experiment för att göra ytterligare mätningar. "Istället för att använda luftsmorda lager, vi kör experimentet igen med kylmedel, en gas som används i värmepumpar, " förklarar han. "Tanken är att bekräfta att teorin inte bara gäller i luften, men också i ett medium med markant olika kemiska och fysikaliska egenskaper."

Elegant i sin enkelhet

NGT är en matematiskt elegant teori som förmodligen aldrig skulle ha sett dagens ljus om ingenjörer först nu hade intresserat sig för luftsmorda lager. "Dessa dagar, vi matar in vår data i en dator och låter processorn göra det tunga arbetet, " förklarar Guenat. "Men även med modern processorkraft, att komma fram till resultatet skulle ta flera minuter. Med NGT, vi kan göra samma sak på bara några sekunder." Den fullt validerade teorin kan ha innovativa tillämpningar inom energisystemdesign.