Kaip paukštis kvėpuoja geriau? Tyrėjų išvados

Apytikslis „apvalios viščiuko“ su paukščio plaučiais skaičius parodė, kad įkvėpus oro judėjimas pirmyn ir atgal. Kaip iškvėpimai (mėlynos rodyklės) ir iškvėpimai (raudoni) sukelia vienpusį srautą (purpurinį) aplink kilpą? Šis mechanizmas priklauso nuo srauto, esančio netoli plaučių tinklo sankryžos, ir ypač tai yra skirtumas, kuris turi būti aiškus etape kvėpavimas. Kreditas: NYU taikomosios matematikos laboratorija.

Nauji atradimai suteikia galimybių tobulinti srautų inžineriją.

Paukščiai kvėpuoja efektyviau nei žmonės dėl kilpinės plaučių ir kvėpavimo takų struktūros, kuri palengvina vienakryptį oro srautą. Tyrėjų komanda atliko keletą eksperimentų ir laboratorinių modeliavimų.

Rezultatai buvo paskelbti 2021 m. Kovo 19 d. Žurnale. Fizinio apžvalgos laiškas.

Tyrimą atliko tyrėjai Niujorko universitetas ir Naujojo Džersio technologijos institutasTai taip pat nurodo protingesnį skysčių pumpavimo ir srauto reguliavimo būdą tokiose srityse kaip ventiliatoriai.

„Skirtingai nei oras, tekantis giliai plaučių šakose, kuris siūbuoja mums įkvepiant ir iškvepiant, srautas juda viena kryptimi paukščio plaučiuose, net įkvepiant ir iškvepiant.“ Tai leidžia jiems atlikti sunkiausią ir brangiausią veiklą iš visų. gyvūnai. Jie gali skristi ir skristi “, – sako Leifas Ristrophas, NYU matematikos mokslų instituto Courant instituto docentas ir vyresnysis šio straipsnio autorius. Jie tai gali padaryti vandenynuose ir žemynuose bei aukštyje iki Everesto kalno, kur yra deguonies. labai lengvas. “


Apatinio dviejų kilpų tinklo eksperimentai, pagrįsti virpesiais, imituojančiais kvėpavimą, ir viršutiniu, kuriančiu vienpusį srautą. Kreditas: NYU taikomosios matematikos laboratorija.

“Svarbiausia yra tai, kad paukščio plaučiai yra pagaminti iš kilpinių kvėpavimo takų, o ne tik iš mūsų plaučių šakų ir medžių pavidalo struktūrų, ir mes nustatėme, kad tai paskatino vienpusį ar vienakryptį srautą aplink kilpą. Ristrophas priduria”. Šis oras kvėpuoja giliai į plaučius ir valo orą “.

Vienakryptis oro srautas paukščių kvėpavimo sistemose buvo atrastas prieš šimtmetį. Bet tai, kas lieka paslaptimi, yra šios veiksmingos kvėpavimo sistemos aerodinaminis paaiškinimas.

Norėdami tai išsiaiškinti, tyrėjai NYU Taikomosios matematikos laboratorijoje atliko keletą eksperimentų, imituojančių paukščių kvėpavimą.

Eksperimentui jie pastatė vamzdį, pripildytą vandens, kad imituotų oro srautą, ir sulenkė vamzdį, kad imituotų paukščio plaučius primenančią kilpos struktūrą, panašią į greitkelį, sujungtą rampomis ir rampomis. Tyrėjai į vandenį įmaišė mažas daleles, kurios leido atsekti vandens tekėjimo kryptį.

Šie eksperimentai parodė, kad kvėpavimas sukurtas judėjimas pirmyn ir atgal buvo transformuotas į vienpusį srautą aplink kilpą.


Modeliavimo srauto greitis rodo tiesioginį srautą arba srautą viršutinėje kilpoje. Kreditas: Niu Džersio technologijos institutas.

„Iš esmės tai atsitinka plaučių viduje. Bet dabar mes iš tikrųjų galime tai pamatyti ir išmatuoti bei suprasti, kas vyksta “, – paaiškina Taikomosios matematikos laboratorijos direktorius Ristrophas. Mažas„ kelias, kur srautas gali pasirinkti, kurį kelią pasirinkti “.

Tada mokslininkai naudojo kompiuterines simuliacijas, kad imituotų eksperimento rezultatus ir geriau suprastų mechanizmus.

“Inercija linkusi priversti srovę tekėti į priekį, o ne žemyn, į tą pusę, kuriai kliudo sūkurys”, – aiškina NJIT docentas ir bendraautorius Anandas Oza. Kokia yra kilpa dėl prisijungimo prie tinklo “

Ristrophas atkreipia dėmesį į keletą galimų inžinerinių atradimų panaudojimo būdų.

“Skysčių reguliavimas ir dozavimas yra bendras tikslas daugelyje sričių, pradedant sveikatos priežiūra, baigiant cheminiais procesais, baigiant degalais, tepalais ir aušinimo sistemomis visų tipų mašinose”, – pastebi jis. Visais šiais atvejais skysčius turime pumpuoti konkrečiomis kryptimis. tam tikram tikslui, o dabar mes išmokome iš paukščių naujų būdų tai pasiekti, kuriuos, tikimės, galime panaudoti mūsų technologijose.

Nuoroda: Quynh M. Nguyen, Anand U. Oza, Joanna Abouezzi, Guanhua Sun, Stephen Childress, Christina Frederick ir Leif Ristroph, 2021 m. Kovo 19 d. „Flow Rectification in Loopy Network Modell of Bird plaučių“. Fizinio apžvalgos laiškas.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.114501

Kiti straipsnio autoriai yra Steve’as Childressas, Couranto instituto profesorius emeritas ir Taikomosios matematikos laboratorijos direktorius; Quynhas Nguyenas, NYU fizikos magistrantas; Joanna Abouezzi ir Guanhua Sun, NYU bakalaurantai tyrimo metu. Ir Christina Frederick, NJIT docentė.

Tyrimą parėmė Nacionalinis mokslo fondas. (DMS-1720306, DMS-1646339, DMS-1847955) ir Simono fondas.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pažymėtinos giliavandenės Veneros gėlių kempinių struktūros, kurios yra naudingos kuriant laivus, lėktuvus ir dangoraižius

Euplectella aspergillum stiklo kempinės struktūra structure už hidrodinaminio lauko ribų. Pramonė buvo perstatyta naudojant CINECA superkompiuterius. Kinetinė metodika և Pažangūs skaičiavimo kodai...

Didžiausia aplinkos šalinimo kaukė – ir kaip ją sumažinti

Naujas tyrimas nustatė naudojamo N95 išeikvojimą ir pasiūlė tinkamus būdus jį sumažinti. Nuo praėjusiais metais prasidėjusios „Covid-19“ epidemijos, užrištos akys tapo dar viena sveikatos apsaugos...

Neuromediatorių lygis smegenyse nuspėja matematinius sugebėjimus

Skenavimas buvo baigtas 1 ir 2 metu (maždaug po 1,5 metų) kiekvienoje iš penkių amžiaus grupių (6-erių, 10-mečių, 14-mečių, 16-mečių ir 18 metų) -metukai)....

Genetikai atskleidžia mutacijas, sukeliančias sunkų vaikystės vėžį – vartokite vaistus, kad pašalintumėte jų šalutinį poveikį

Trejybės koledžo genetikai atrado specifinio geno, vadinamo H3K27M, mutaciją, sukeliančią neišgydomą vaikystės vėžį, vadinamą diffi midi glioma (DMG). Augimas taikant tikslinius vaistus. Jų istoriniai...

Neigiamų jonų sulaikymas tarpžvaigždinėje erdvėje

Kaip tarpžvaigždinėje aplinkoje kuriamos neigiamai įkrautos molekulės? Tarpžvaigždiniai debesys yra naujų žvaigždžių gimtinė. Tačiau jie taip pat vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant gyvenimą visatoje per...

Newsletter

Subscribe to stay updated.