Vogels ademen efficiënter dan mensen dankzij de structuur van hun longen - lusvormige luchtwegen die luchtstromen in één richting vergemakkelijken - heeft een team van onderzoekers ontdekt door middel van een reeks laboratoriumexperimenten en simulaties.

De bevindingen verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De studie, uitgevoerd door onderzoekers van de New York University en het New Jersey Institute of Technology, wijst ook op slimmere manieren om vloeistoffen te pompen en stromen te regelen in toepassingen zoals beademingsventilatoren.

"In tegenstelling tot de lucht die diep in de takken van onze longen stroomt, die heen en weer oscilleren als we in- en uitademen, de stroom beweegt in een enkele richting in de longen van vogels, zelfs als ze inademen en uitademen, " legt Leif Ristroph uit, een universitair hoofddocent aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de NYU en de senior auteur van het artikel. "Hierdoor kunnen ze de moeilijkste en energetisch kostbare activiteit van elk dier uitvoeren:ze kunnen vliegen, en dat kunnen ze over hele oceanen en hele continenten en op hoogten zo hoog als de Mount Everest, waar de zuurstof extreem dun is."

"De sleutel is dat de longen van vogels zijn gemaakt van luchtwegen met lussen - niet alleen de takken en de boomachtige structuur van onze longen - en we ontdekten dat dit leidt tot eenrichtingsverkeer of gerichte stromen rond de lussen, " voegt Ristroph toe. "Deze wind ventileert zelfs de diepe uithoeken van de longen en brengt frisse lucht binnen."

De eenrichtingsstroom van lucht in de ademhalingssystemen van vogels werd een eeuw geleden ontdekt. Maar wat een mysterie was gebleven, was een verklaring van de aerodynamica achter dit efficiënte ademhalingssysteem.

Om dit te onderzoeken, de onderzoekers voerden een reeks experimenten uit die de ademhaling van vogels nabootsten in het Applied Mathematics Lab van NYU.

Voor de experimenten, ze bouwden leidingen gevuld met water - om de luchtstroom na te bootsen - en verbogen de leidingen om de lusachtige structuur van de longen van vogels te imiteren - vergelijkbaar met de manier waarop snelwegen zijn verbonden door op- en afritten. De onderzoekers mengden microdeeltjes in het water, waardoor ze de richting van de waterstroom konden volgen.

Deze experimenten toonden aan dat heen-en-weer bewegingen gegenereerd door ademhaling werden omgezet in eenrichtingsstromen rond de lussen.

"Dit is in wezen wat er in de longen gebeurt, maar nu konden we echt zien en meten - en dus begrijpen - wat er aan de hand was, " legt Ristroph uit, directeur van het Applied Mathematics Lab. "De manier waarop dit gebeurt, is dat het netwerk lussen heeft en dus knooppunten, die een beetje zijn als 'vorken in de weg' waar de stromen een keuze hebben over welke route ze nemen."

De wetenschappers gebruikten vervolgens computersimulaties om de experimentele resultaten te reproduceren en de mechanismen beter te begrijpen.

"Traagheid heeft de neiging om ervoor te zorgen dat de stromen rechtdoor blijven gaan in plaats van een zijstraat in te slaan, die wordt belemmerd door een vortex, " legt NJIT-assistent-professor en co-auteur Anand Oza uit. "Dit leidt uiteindelijk tot eenrichtingsstromen en circulatie rond lussen vanwege de manier waarop de kruispunten in het netwerk zijn aangesloten."

Ristroph wijst op verschillende mogelijke technische toepassingen voor deze bevindingen.

"Regie, controlerend, en het verpompen van vloeistoffen is een veelvoorkomend doel in veel toepassingen, van gezondheidszorg tot chemische verwerking tot brandstof, smeermiddel, en koelsystemen in allerlei machines, " merkt hij op. "In al deze gevallen, we moeten vloeistoffen in specifieke richtingen pompen voor specifieke doeleinden, en nu hebben we van vogels een geheel nieuwe manier geleerd om dit te bereiken, waarvan we hopen dat het in onze technologieën kan worden gebruikt."

De andere auteurs van de krant waren Steve Childress, emeritus hoogleraar bij het Courant Instituut en mededirecteur van het Applied Mathematics Lab; Quynh Nguyen, een afgestudeerde NYU-student natuurkunde; Joanna Abouezzi en Guanhua Sun, NYU-studenten op het moment van het onderzoek; en Christina Frederik, een assistent-professor bij NJIT.