Os pássaros respiram com mais eficiência do que os humanos devido à estrutura de seus pulmões - vias aéreas em loop que facilitam os fluxos de ar que vão em uma direção - uma equipe de pesquisadores descobriu por meio de uma série de experimentos e simulações de laboratório.

Os resultados aparecem no jornal Cartas de revisão física .

O estudo, conduzido por pesquisadores da New York University e do New Jersey Institute of Technology, também aponta para maneiras mais inteligentes de bombear fluidos e controlar fluxos em aplicações como ventiladores respiratórios.

"Ao contrário do ar que flui nas profundezas dos nossos pulmões, que oscilam para frente e para trás conforme inspiramos e expiramos, o fluxo se move em uma única direção nos pulmões das aves, mesmo enquanto inspiram e expiram, "explica Leif Ristroph, professor associado do Courant Institute of Mathematical Sciences da NYU e autor sênior do artigo. "Isso permite que eles realizem a atividade mais difícil e energeticamente dispendiosa de qualquer animal:eles podem voar, e eles podem fazer isso em oceanos e continentes inteiros e em elevações tão altas quanto o Monte Everest, onde o oxigênio é extremamente fino. "

"A chave é que os pulmões das aves são feitos de vias aéreas em loop - não apenas os galhos e a estrutura em forma de árvore de nossos pulmões - e descobrimos que isso leva a fluxos unilaterais ou direcionados ao redor das alças, "acrescenta Ristroph." Este vento ventila até as profundezas dos pulmões e traz ar fresco. "

O fluxo unilateral de ar nos sistemas respiratórios das aves foi descoberto há um século. Mas o que permaneceu um mistério foi uma explicação da aerodinâmica por trás desse sistema respiratório eficiente.

Para explorar isso, os pesquisadores conduziram uma série de experimentos que imitaram a respiração dos pássaros no Laboratório de Matemática Aplicada da NYU.

Para os experimentos, eles construíram encanamentos cheios de água - para replicar o fluxo de ar - e dobraram os encanamentos para imitar a estrutura circular dos pulmões dos pássaros - semelhante à forma como as rodovias são conectadas por rampas de entrada e saída. Os pesquisadores misturaram micropartículas na água, o que lhes permitiu rastrear a direção do fluxo de água.

Esses experimentos mostraram que os movimentos de vaivém gerados pela respiração foram transformados em fluxos unilaterais ao redor dos loops.

"Isso é basicamente o que acontece dentro dos pulmões, mas agora podíamos realmente ver e medir - e assim entender - o que estava acontecendo, "explica Ristroph, diretor do Laboratório de Matemática Aplicada. "A forma como isso acontece é que a rede tem loops e, portanto, junções, que são um pouco como 'bifurcações na estrada', onde os fluxos têm uma escolha sobre a rota a seguir. "

Os cientistas então usaram simulações de computador para reproduzir os resultados experimentais e entender melhor os mecanismos.

"A inércia tende a fazer com que os fluxos continuem em linha reta em vez de virar em uma rua lateral, que é obstruído por um vórtice, "explica o professor assistente e co-autor do NJIT, Anand Oza." Isso acaba levando a fluxos unilaterais e circulação em torno de loops por causa de como as junções são conectadas na rede. "

Ristroph aponta para vários usos potenciais de engenharia para essas descobertas.

"Dirigindo, controlando, e bombear fluidos é um objetivo muito comum em muitas aplicações, da saúde ao processamento químico para o combustível, lubrificante, e sistemas de refrigeração em todos os tipos de máquinas, "ele observa." Em todos esses casos, precisamos bombear fluidos em direções específicas para fins específicos, e agora aprendemos com os pássaros uma maneira inteiramente nova de fazer isso, que esperamos que possa ser usada em nossas tecnologias. "

Os outros autores do artigo foram Steve Childress, professor emérito do Courant Institute e co-diretor do Applied Mathematics Lab; Quynh Nguyen, um estudante de graduação em física da NYU; Joanna Abouezzi e Guanhua Sun, Graduandos da NYU no momento da pesquisa; e Christina Frederick, professor assistente no NJIT.