300年历史的消防方法背后的物理学可以帮助我们了解我们的心脏如何工作
如今,水压技术无处不在,任何淋浴、浇灌花园或灭火的人都可以从旨在利用水压技术的技术中受益。然而,在17世纪和18世纪,不受压力下降影响的稳定水流是一项重大突破。
1666年,当水桶旅是最好的防线时,伦敦大火几乎烧毁了这座城市所有密集的木结构建筑。这场灾难摧毁了数十万所房屋和数十座教堂,表明需要更好的消防方法和设备。
一项具有里程碑意义的进步是“吸虫”的发明,即连接到手动泵上的皮革软管。然后是Windkessel,这是一辆木制马车底部的一个房间,它压缩空气通过软管不断泵水,形成稳定的水流。
受到1725年消防车的启发,该消防车以比以前更大的距离和更高的速度抽水,在《美国物理学杂志》上发表文章的作者分析了压力室的风克塞尔效应,以捕捉这种广泛使用、持久技术背后的物理原理。
“在几个世纪前写的书籍和论文中,有许多令人着迷的物理问题隐藏在显而易见的地方,”作者特雷弗·利普斯科姆说。“最近,我们一直致力于将基本流体力学应用到生物系统中,并在医学期刊中发现了一个常见的描述:心脏就像一个Windkessel。这就引出了一个问题:准确地说,什么是Windkessel?,我们发现了Lofting的&luo;吸虫&ruo;装置的描述,以及Newsham的消防车中的救生应用程序。”
为了查明哪些因素对Windkessel效应影响最大,作者比较了腔室的初始状态、水桶组倒入水的速率(体积流入)、压力建立的时间长度以及对输出流量的影响速度。
“当面对洛夫廷的设计或纽沙姆消防车时,物理学家想要理清所涉及的基础科学——仅仅因为它就在那里,”利普斯科姆说。“这是做物理的乐趣。而且,还有教学方面的方面。我们的文章构建了一个简单的模型,展示了纽沙姆消防车的工作原理。我们部分回答了“我什么时候会使用这个东西?”问题。”
接下来,作者计划检查参与心脏主动脉系统的生理Windkessel。
“伯努利定律、理想气体定律和等温膨胀的知识是我们在模型中融入的三个要素,以探索该设备的工作原理,”利普斯科姆说。“但如果我们更好地了解这个系统,我们就可以查看重要的参数,并了解改变它们如何改进设备。”
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