Fysikken bag 300 år gamle brandslukningsmetoder kunne informere viden om, hvordan vores hjerter fungerer

I dag er vandtryksteknologi allestedsnærværende, og enhver person, der bader, vander en have eller bekæmper brande, nyder godt af den teknologi, der er udviklet til at udnytte den. I det 17. og 18. århundrede var en jævn strøm af vand, der ikke var præget af trykfald, et stort gennembrud.

I 1666, da spandbrigader var den bedste forsvarslinje, brændte Great Fire of London næsten alle byens tætpakkede trækonstruktioner. Katastrofen ødelagde hundredtusindvis af hjem og snesevis af kirker, hvilket demonstrerede behovet for bedre brandbekæmpelsesmetoder og udstyr.

Et skelsættende fremskridt var opfindelsen af ​​"sugende orme", læderslanger knyttet til manuelt betjente pumper. Så kom Windkessel, et kammer i bunden af ​​en trævogn, der komprimerede luft for at pumpe vand kontinuerligt gennem en slange, hvilket skabte en jævn strøm.

Inspireret af en brandbil fra 1725, der pumpede vand over større afstande og højere hastigheder end tidligere muligt, publicerede forfattere i American Journal of Physics analyserede trykkammerets Windkessel-effekt for at fange fysikken bag denne meget brugte, varige teknologi.

"Der er mange fascinerende fysikproblemer, der gemmer sig i almindeligt syn i bøger og papirer skrevet for århundreder siden," sagde forfatteren Trevor Lipscombe. "For nylig har vi arbejdet på at anvende elementær væskemekanik på biologiske systemer og stødte på en almindelig beskrivelse i medicinske tidsskrifter:at hjertet fungerer som en Windkessel. Det rejser spørgsmålet om, hvad der præcist er en Windkessel? At følge sporet , fandt vi beskrivelser af Loftings 'sugende orm'-enhed og i Newshams brandbil, et livreddende program."

For at finde ud af, hvilke faktorer der er mest indflydelsesrige i Windkessel-effekten, sammenlignede forfatterne den oprindelige tilstand af kammeret, den hastighed, hvormed spandbrigader kunne hælde vand ind (volumetrisk indstrømning), længden af ​​tidstrykket, der opbygges og virkningerne på outputflowet sats.

"Når en fysiker står over for Loftings design eller Newsham-brandbilen, vil en fysiker finde ud af den involverede grundlæggende videnskab - simpelthen fordi den er der," sagde Lipscombe. "Det er glæden ved at lave fysik. Men der er også et pædagogisk aspekt. Vores artikel bygger en simpel model, der viser, hvordan en Newsham-brandbil fungerer. Vi svarer delvist på 'hvornår vil jeg nogensinde bruge det her?' spørgsmål."

Dernæst planlægger forfatterne at undersøge den fysiologiske Windkessel involveret i hjerte-aorta-systemet.

"Kendskab til Bernoullis lov, den ideelle gaslov og isotermisk ekspansion er de tre ingredienser, vi bagte i en model for at udforske, hvordan denne enhed fungerede," sagde Lipscombe. "Men hvis vi forstår dette system bedre, kunne vi se på de parametre, der er vigtige og se, hvordan en ændring af dem kan forbedre enheden."

Flere oplysninger: Fra sugende orme til Windkessels:Fysikken bag et tidligt attende århundredes brandslukningsapparat, American Journal of Physics (2024). DOI:10.1119/5.0147573

Journaloplysninger: American Journal of Physics

Leveret af American Institute of Physics