Gli uccelli respirano con maggiore efficienza rispetto agli umani a causa della struttura dei loro polmoni - vie aeree ad anello che facilitano i flussi d'aria che vanno in una direzione - un team di ricercatori ha scoperto attraverso una serie di esperimenti e simulazioni di laboratorio.

I risultati appaiono sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Lo studio, condotto da ricercatori della New York University e del New Jersey Institute of Technology, indica anche modi più intelligenti per pompare fluidi e controllare i flussi in applicazioni come i ventilatori respiratori.

"A differenza dell'aria che scorre in profondità nei rami dei nostri polmoni, che oscillano avanti e indietro mentre inspiriamo ed espiriamo, il flusso si muove in un'unica direzione nei polmoni degli uccelli anche mentre inspirano ed espirano, " spiega Leif Ristroph, professore associato al Courant Institute of Mathematical Sciences della NYU e autore senior dell'articolo. "Questo consente loro di svolgere l'attività più difficile ed energeticamente costosa di qualsiasi animale:possono volare, e possono farlo attraverso interi oceani e interi continenti e ad altitudini fino all'Everest, dove l'ossigeno è estremamente sottile."

"La chiave è che i polmoni degli uccelli sono fatti di vie aeree ad anello, non solo i rami e la struttura ad albero dei nostri polmoni, e abbiamo scoperto che questo porta a flussi unidirezionali o diretti attorno agli anelli, " aggiunge Ristroph. "Questo vento ventila anche i profondi recessi dei polmoni e porta aria fresca".

Il flusso d'aria unidirezionale nei sistemi di respirazione degli uccelli è stato scoperto un secolo fa. Ma quello che era rimasto un mistero era una spiegazione dell'aerodinamica dietro questo efficiente sistema di respirazione.

Per esplorare questo, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti che imitavano la respirazione degli uccelli nell'Applied Mathematics Lab della NYU.

Per gli esperimenti, hanno costruito tubazioni piene d'acqua, per replicare il flusso d'aria, e piegate le tubazioni per imitare la struttura ad anello dei polmoni degli uccelli, in modo simile al modo in cui le autostrade sono collegate dalle rampe di accesso e di uscita. I ricercatori hanno mescolato le microparticelle nell'acqua, che ha permesso loro di tracciare la direzione del flusso d'acqua.

Questi esperimenti hanno mostrato che i movimenti avanti e indietro generati dalla respirazione sono stati trasformati in flussi unidirezionali attorno ai circuiti.

"Questo è in sostanza ciò che accade all'interno dei polmoni, ma ora potevamo effettivamente vedere e misurare - e quindi capire - cosa stava succedendo, " spiega Ristroph, Direttore del Laboratorio di Matematica Applicata. "Il modo in cui si svolge è che la rete ha loop e quindi giunzioni, che sono un po' come "biforcazioni stradali" in cui i flussi possono scegliere quale strada prendere".

Gli scienziati hanno quindi utilizzato simulazioni al computer per riprodurre i risultati sperimentali e comprendere meglio i meccanismi.

"L'inerzia tende a far sì che i flussi continuino dritti piuttosto che imboccare una strada laterale, che viene ostruito da un vortice, "Spiega l'assistente professore del NJIT e coautore Anand Oza. ​​"Questo finisce per portare a flussi unidirezionali e circolazione intorno ai circuiti a causa del modo in cui le giunzioni sono collegate alla rete".

Ristroph indica diversi potenziali usi ingegneristici per questi risultati.

"Regia, controllo, e il pompaggio di fluidi è un obiettivo molto comune in molte applicazioni, dall'assistenza sanitaria alla lavorazione chimica al carburante, lubrificante, e sistemi di raffreddamento in tutti i tipi di macchinari, " osserva. "In tutti questi casi, abbiamo bisogno di pompare fluidi in direzioni specifiche per scopi specifici, e ora abbiamo imparato dagli uccelli un modo completamente nuovo per ottenere ciò che speriamo possa essere utilizzato nelle nostre tecnologie".

Gli altri autori del documento erano Steve Childress, professore emerito al Courant Institute e condirettore del Laboratorio di Matematica Applicata; Quynh Nguyen, uno studente laureato in fisica della New York University; Joanna Abouezzi e Guanhua Sun, studenti universitari della NYU al momento della ricerca; e Cristina Federico, un assistente professore presso NJIT.