Зимой олени живут в суровых условиях. На Шпицбергене, а также на сопках и в горах материковой части Норвегии температура иногда опускается до 30-40 градусов по Цельсию ниже нуля. Когда ландшафт покрывает снег, становится мало еды, а оленям приходится жевать холодный снег, чтобы набрать воду. Так как же олени выживают, когда так холодно?
Их густой мех — хороший изолятор, но это еще не все. Олени также выживают, выделяя через нос как можно меньше тепла в окружающую среду и сохраняя как можно больше водяного пара.Что там с носом Рудольфа?
Объясняет ли структура носа Рудольфа, почему олени так хорошо переносят холодный климат?Эта гипотеза заинтересовала аспиранта Элизу Магнанелли и ее руководителей в Норвежском университете науки и технологий, профессоров Сигне Кьельструп и Ойвинда Вильгельмсена. Вильгельмсен — адъюнкт-профессор и исследователь в SINTEF Energy Research.
Их дисциплины — термодинамика и массо- и теплообмен. Но почему инженеры могут интересоваться дыхательными системами животных? Это скоро станет ясно.
Олень на беговой дорожкеМаньянелли и ее руководители тесно сотрудничают с учеными UiT — Арктического университета Норвегии в Тромсё.
Исследователи из Тромсе принесли настоящих оленей в климатическую камеру и заставили их пройтись по беговой дорожке, чтобы изучить их дыхание — и все это в интересах науки. Измерения показывают, что олени обладают фантастической способностью изменять температуру вдыхаемого воздуха до того, как он достигает их легких, и наоборот.
Если температура наружного воздуха составляет 40 градусов по Цельсию ниже нуля, температура, когда воздух достигает легких северного оленя, составляет около 38 градусов по Цельсию.Это означает, что изобретательная структура носа оленей может изменить температуру воздуха на невероятные 70-80 градусов менее чем за одну секунду.
На выдохе олень мгновенно охлаждает свое теплое дыхание, чтобы сохранить как можно больше тепла.Кроме того, олени выдыхают минимальное количество влаги при выдохе, что особенно важно, когда их единственный доступ к воде — это снег, да еще и ледяной снег.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 поперечного сечения органа дыхания северного оленя 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. В каком смысле? Подумайте о норвежском побережье.
Если вы измерите фактическую длину побережья, включая все укромные уголки и трещины, вы обнаружите, что береговая линия чрезвычайно длинна. Так выглядит и внутренняя поверхность носа оленя.
Широкая внутренняя поверхность обеспечивает много места для обмена теплом и водяным паром между воздухом и носовой стенкой.Какой рецепт природы?
Невероятная способность оленей согревать воздух, которым они дышат, и контролировать влажность — захватывающая тема для исследователей NTNU, изучающих термодинамику и теплообмен.Профессор Кьельструп и ее коллеги потратили годы на изучение энергоэффективных систем. Она начала размышлять о том, может ли сама природа научить нас чему-либо об энергоэффективности, и связалась с исследователем Тромсё Арнольдусом Шитте Бликсом, который рассказал ей об исследованиях северных оленей.
Математический нос оленяИсследователи решили создать математическую модель носа северного оленя. Маньянелли поставили задачу.
Она получила несколько важных измерений от других исследовательских групп, включая исследователей из Тромсё. Эти измерения включали количество воздуха, вдыхаемого северным оленем, когда он дышит, скорость кровотока и температуру в различных частях носа, а также содержание влаги в дыхании северного оленя. Эти данные были использованы как для разработки, так и для оценки точности компьютерной программы, специально разработанной для моделирования носа северного оленя.
Данные носы в лабораторииВ дополнение к созданию носа северного оленя, смоделированного на основе данных, ученые создали компьютерную программу для упрощенного цилиндрического носа с данными, который послужил образцом для сравнения.Исследователи провели многократные эксперименты с обоими носами данных и пришли к неожиданным результатам.
Одно открытие показало, что нос Рудольфа почти можно объяснить хорошо известным теоретическим принципом постоянного производства энтропии. Этот термин может сбить с толку самого заядлого читателя без быстрого объяснения, но учтите следующее: когда вы катаетесь на коньках, вы тратите часть своей энергии на преодоление трения, возникающего между льдом и коньками.
При трении под лезвиями коньков выделяется тепло, которое расходует энергию. Это пример второго начала термодинамики.Но ни один реальный процесс не является стопроцентно энергоэффективным. Всегда есть какое-то трение, которое рассеивается в виде тепла в окружающую среду.
Если вы живете на Шпицбергене или на холодном плато Ророс в Норвегии, важно терять как можно меньше энергии в окружающей среде. Олени ясно это догадались.Гениальный нос оленяЭксперименты по моделированию Маньянелли, проведенные на расстоянии 1600 километров и 15 градусов широты от самых северных мест топотания оленей, показывают, что нос в основном работает по принципу минимальных потерь энергии.
Это рассеяние энергии в форме трения — это то, что ученые называют производством энтропии. Блестящий нос северного оленя обеспечивает почти всегда равномерное производство энтропии. Это означает, что при дыхании животное в целом теряет минимально возможное количество энергии в окружающую среду. Нос северного оленя примерно соответствует математическому уравнению «постоянного производства энтропии».
Чтобы объяснить, почему это так полезно, рассмотрим пример катания на коньках. Чтобы использовать наименьшее количество энергии для передвижения по катку, лучше поддерживать постоянную скорость.
То же самое и с оленьими носами — они предназначены для производства энтропии, близкой к однородной.Чем холоднее погода, тем эффективнее носВторое открытие, удивившее исследователей, заключается в том, что чем холоднее воздух, тем более энергоэффективен нос северного оленя по сравнению с носом без формы морской ракушки.
При 30 градусах ниже нуля нос оленя в форме морской ракушки работает даже лучше, чем при 10 градусах ниже нуля.Между математической моделью носа и выводом о производстве энтропии, близком к постоянному, 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 за пределами 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, чтобы им не нужно было есть снег. И это иллюстрирует еще одну замечательную особенность природы: зимний воздух холодный и сухой. Чтобы нагретый воздух не был слишком сухим при попадании в легкие, при вдыхании оленя через слизистые оболочки в воздух выделяется немного влаги.
Когда воздух выдыхается, слизистые оболочки восстанавливают влагу, поэтому олень выдыхает сухой и частично охлажденный воздух.Использование знаний о природе для обществаЕсть много причин, по которым ученые и инженеры хотят понять, как на самом деле работает нос северного оленя.
Нос оленя служит отличным теплообменником и парообменником из-за сложной формы, напоминающей морскую ракушку.На самом деле, вполне возможно, что эти недавно приобретенные знания могут однажды пригодиться, когда промышленным дизайнерам потребуется создать сбалансированные системы вентиляции для домов и коттеджей в чрезвычайно холодном климате. Новые знания могут внести важный вклад в строительство домов с нулевым уровнем выбросов. в Арктике.
На самом деле, это, вероятно, был бы идеальный проект для мастерской Санты на Северном полюсе.