Каждый школьник знает про оленя Рудольфа и его волшебный красный нос. Но у реальных двойников Рудольфа действительно есть волшебный нос. Чем холоднее, тем лучше животные согреваются и увлажняются.
Северный олень зимой живет в суровых условиях. На Шпицбергене, а также в сопках и горах материковой Норвегии температура иногда опускается до 30-40 градусов по Цельсию ниже нуля. Когда снег покрывает ландшафт, мало пищи, и северным оленям приходится жевать холодный снег, чтобы получить воду. Так как же северные олени выживают, когда так холодно?
Их густой мех является хорошим изолятором, но это еще не все объяснение. Олени также выживают, выделяя через нос в окружающую среду как можно меньше тепла и сохраняя как можно больше водяного пара.
Что у Рудольфа с носом?
Объясняет ли структура носа Рудольфа, почему северные олени так хорошо себя чувствуют в холодном климате?
Эта гипотеза заинтересовала аспирантку Элизу Маньянелли и ее научных руководителей в Норвежском университете науки и технологий, профессоров Сигне Кьелструп и Ойвинда Вильхельмсена. Вильгельмсен - адъюнкт-профессор и научный сотрудник SINTEF Energy Research. Их дисциплинами являются термодинамика и массовый и теплообмен. Но зачем инженерам интересоваться дыхательными системами животных? Это скоро станет ясно.
Олени на беговых дорожках
Маньянелли и ее руководители тесно сотрудничают с учеными UiT - Арктического университета Норвегии в Тромсё. Исследователи из Тромсё привели настоящих северных оленей в климатическую камеру и заставили их ходить по беговой дорожке, чтобы изучить их дыхание - и все это на службе науки. Измерения показывают, что северные олени обладают фантастической способностью изменять температуру вдыхаемого ими воздуха до того, как он достигнет их легких, и наоборот. Если температура наружного воздуха составляет 40 градусов ниже нуля, температура воздуха, достигающего легких северного оленя, составляет около 38 градусов по Цельсию.
Это означает, что гениальное строение носа северного оленя может изменить температуру воздуха на невероятные 70-80 градусов менее чем за одну секунду. На выдохе северный олень мгновенно охлаждает свое теплое дыхание, чтобы сохранить как можно больше тепла тела.
Кроме того, северный олень выделяет на выдохе минимальное количество влаги, что особенно важно, когда единственным доступом к воде является снег, причем ледяной.
Огромная внутренняя поверхность
Мощная морда северного оленя состоит из хрящей и костей, мясистой структуры, слизистых оболочек и множества кровеносных сосудов. Исследователи из UiT провели внутренние измерения носа и сделали компьютерную томографию срезов носа северного оленя. Таким образом, исследователи смогли получить изображения органов дыхания северного оленя в поперечном сечении по всей его длине. На снимках видно, что внутренняя часть носа имеет необычную и странную структуру, напоминающую морскую ракушку.
Исследователи также измерили площадь внутренней поверхности, которая оказалась огромной. Огромный в каком смысле? Подумайте о норвежском побережье. Если вы измерите фактическую длину побережья, включая все закоулки и закоулки, вы обнаружите, что береговая линия невероятно длинная. Так выглядит и внутренняя поверхность носа северного оленя. Широкая внутренняя поверхность обеспечивает достаточно места для теплообмена и водяного пара между воздухом и стенкой носа.
Каков рецепт природы?
Невероятная способность северного оленя нагревать воздух, которым он дышит, и контролировать влажность - захватывающая тема для исследователей NTNU, изучающих термодинамику и теплообмен.
Профессор Кьелструп и ее коллеги потратили годы на изучение энергосберегающих систем. Она начала размышлять о том, может ли сама природа научить нас чему-то в области энергоэффективности, и связалась с исследователем из Тромсё Арнольдусом Шитте Бликсом, который рассказал ей об исследованиях оленей.
Математический нос северного оленя
Исследователи решили создать математическую модель носа северного оленя. Маньянелли была поставлена задача. Она получила несколько важных измерений от других исследовательских групп, включая исследователей в Тромсё. Эти измерения включали количество воздуха, которое северный олень вдыхает при дыхании, скорость кровотока и температуру в различных частях носа, а также содержание влаги в дыхании северного оленя. Данные использовались как для разработки, так и для оценки точности компьютерной программы, специально разработанной для имитации носа северного оленя.
Информационные носы в лаборатории
В дополнение к созданию уравнения.
Чтобы объяснить, почему это так полезно, рассмотрим пример с фигурным катанием. Чтобы использовать наименьшее количество энергии для передвижения по катку, лучше всего поддерживать постоянную скорость. То же самое относится и к носам северных оленей - они спроектированы таким образом, чтобы производство энтропии было почти равномерным.
Чем холоднее погода, тем эффективнее нос
Второй вывод, который удивил исследователей, заключается в том, что чем холоднее воздух, тем более энергоэффективным является нос северного оленя по сравнению с носом без формы морской раковины. При 30 градусах ниже нуля нос северного оленя в форме раковины работает даже лучше, чем при 10 градусах ниже нуля.
Благодаря математической модели носа и практически постоянному производству энтропии инженеры NTNU теперь могут лучше объяснить, как работает нос северного оленя. Холодный воздух втягивается через ноздри, проходя по большой внутренней поверхности. Эта поверхность состоит из носовой слизи, расположенной вне мясистой структуры носа и с множеством мелких кровеносных сосудов. Теплая кровь мгновенно и непрерывно нагревает слизь, которая, в свою очередь, нагревает вдыхаемый воздух.
Оленям необходимо удерживать воду или влагу, выдыхаемую из легких, поэтому им не нужно есть снег. И это иллюстрирует еще одну блестящую особенность природы: зимний воздух холодный и сухой. Чтобы нагретый воздух не был слишком сухим, попадая в легкие, при вдохе северный олень выделяет в воздух немного влаги со слизистых оболочек. При выдохе слизистые оболочки восстанавливают влагу, поэтому северный олень выдыхает сухой и частично охлажденный воздух.
Использование знаний о природе для общества
Есть много причин, по которым ученые и инженеры стремятся понять, как на самом деле работает нос северного оленя. Носы северных оленей служат отличными теплообменниками и парообменниками из-за сложной формы, напоминающей морскую раковину.
На самом деле, вполне возможно, что полученные знания однажды пригодятся промышленным проектировщикам при создании приточно-вытяжных систем вентиляции для домов и коттеджей в экстремально холодном климате. Новые знания могут внести важный вклад в строительство домов с нулевыми выбросами в Арктике.
На самом деле, это был бы идеальный проект для мастерской Санты на Северном полюсе.