Hvordan trækker fugle bedre vejret? Forskernes opdagelse vil kaste dig ud af en løkke

Fugle trækker vejret med større effektivitet end mennesker på grund af strukturen i deres lunger - sløjfede luftveje, der letter luftstrømme, der går i en retning - et team af forskere har fundet gennem en række laboratorieforsøg og simuleringer.

Resultaterne fremgår af journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Studiet, udført af forskere ved New York University og New Jersey Institute of Technology, peger også på smartere måder at pumpe væsker og kontrollere strømme i applikationer såsom respiratoriske ventilatorer.

"I modsætning til luften flyder dybt i grenene af vores lunger, som svinger frem og tilbage, når vi trækker vejret ind og ud, strømmen bevæger sig i en enkelt retning i fuglelunger, selvom de indånder og udånder, "forklarer Leif Ristroph, en lektor ved NYU's Courant Institute of Mathematical Sciences og seniorforfatter af papiret. "Dette giver dem mulighed for at udføre de mest vanskelige og energisk dyre aktiviteter af ethvert dyr:de kan flyve, og de kan gøre det på tværs af hele oceaner og hele kontinenter og i højder så højt som Mount Everest, hvor ilten er ekstremt tynd. "

"Nøglen er, at fuglelunger er lavet af sløjfede luftveje-ikke kun grene og trælignende struktur i vores lunger-og vi fandt ud af, at dette fører til envejs eller rettede strømme rundt om sløjferne, "tilføjer Ristroph." Denne vind ventilerer selv de dybe fordybninger i lungerne og tilfører frisk luft. "

Envejs luftstrømmen i fugles åndedrætssystemer blev opdaget for et århundrede siden. Men hvad der forblev et mysterium var en forklaring på aerodynamikken bag dette effektive åndedrætssystem.

For at udforske dette, forskerne gennemførte en række eksperimenter, der efterlignede fuglens vejrtrækning i NYU's Applied Mathematics Lab.

Til forsøgene, de byggede rør fyldt med vand-for at replikere luftstrømmen-og bøjede rørene for at efterligne den sløjfe-lignende struktur af fuglelunger-svarende til den måde, motorveje er forbundet med på-ramper og off-ramper. Forskerne blandede mikropartikler i vandet, hvilket gjorde det muligt for dem at spore vandstrømmens retning.

Disse eksperimenter viste, at frem og tilbage bevægelser genereret ved vejrtrækning blev omdannet til envejsstrømme omkring sløjferne.

"Det er i det væsentlige, hvad der sker inde i lungerne, men nu kunne vi faktisk se og måle - og dermed forstå - hvad der foregik, "forklarer Ristroph, direktør for Applied Mathematics Lab. "Den måde, det foregår på, er, at netværket har sløjfer og dermed kryds, som er lidt som 'gafler i vejen', hvor strømningerne har et valg om, hvilken rute de skal tage. "

Forskerne brugte derefter computersimuleringer til at gengive de eksperimentelle resultater og bedre forstå mekanismerne.

"Inerti har en tendens til at få strømningerne til at fortsætte lige frem for at dreje ned ad en sidegade, som bliver blokeret af en hvirvel, "forklarer NJIT-assisterende professor og medforfatter Anand Oza." Dette ender med at føre til envejsstrømme og cirkulation omkring sløjfer på grund af, hvordan krydsene er tilsluttet i netværket. "

Ristroph peger på flere potentielle tekniske anvendelser til disse fund.

"Instruere, kontrollerende, og pumpe væsker er et meget almindeligt mål i mange applikationer, fra sundhedspleje til kemisk behandling til brændstoffet, smøremiddel, og kølevæskesystemer i alle slags maskiner, "bemærker han." I alle disse tilfælde, vi skal pumpe væsker i bestemte retninger til bestemte formål, og nu har vi lært af fugle en helt ny måde at opnå dette på, som vi håber kan bruges i vores teknologier. "

Papirets andre forfattere var Steve Childress, emeritusprofessor ved Courant Institute og meddirektør for Applied Mathematics Lab; Quynh Nguyen, en NYU fysik kandidatstuderende; Joanna Abouezzi og Guanhua Sun, NYU -studerende på tidspunktet for forskningen; og Christina Frederick, en adjunkt ved NJIT.