Насос приводит в движение колеблющийся поток в двух связанных контурах. Поток отражает возвратно-поступательное движение насоса в одном контуре, но становится односторонним в другом.

Лейф Ристроф из Нью-Йоркского университета и его коллеги поняли, что эффект клапана может привести к выпрямлению, только если сеть дыхательных путей легких имеет соответствующую структуру. Связность этой сети у птиц заставляет воздух течь по замкнутым контурам, что отличается от легких млекопитающих. Но не было ясно, какая именно комбинация замкнутых контуров и соединений потребуется для генерации исправления, и как полностью объяснить основной механизм.
Чтобы выяснить это, команда построила простые трубопроводные сети, начав с замкнутого контура резиновых трубок. Они наполнили его водой и подключили к насосу, который заставлял воду течь попеременно по и против часовой стрелки. Затем команда использовала Т-образные переходы, чтобы соединить меньший сегмент трубопровода в двух местах, но эти два Т-образных соединения были в разной ориентации, под углом 90 градусов друг к другу. Эта асимметрия имела решающее значение для исправления. При работающем насосе исправление происходило в контуре, который включал сегмент и часть исходного контура. Частицы, помещенные в воду, колебались, но постепенно продвигались по этой петле, двигаясь дальше вперед, чем назад в каждом цикле. Между тем, частицы в оставшейся части исходного цикла не продвигались. «Это, по сути, то, что происходит внутри легких;
Используя жесткие трубы диаметром 1,6 см, команда построила более крупную сеть с другой структурой, работающей по тому же принципу. Мониторинг микрочастиц, помещенных в воду, позволил исследователям измерить поток в широком диапазоне частот и амплитуд колебаний насоса.
Компьютерное моделирование более простой конструкции трубы выявило эффект, объясняющий выпрямление: на каждом Т-образном переходе появляются вихри, которые блокируют «переулок» в одном направлении потока, но не в обратном направлении. Этот подобный клапану эффект возникает на двух Т-образных переходах в разное время в течение каждого колебательного цикла.

Компьютерное моделирование показывает, что вихри периодически появляются в «переулке» каждого Т-образного перекрестка. Эти вихри способствуют выпрямлению, уменьшая поток в их переулки во время соответствующей части каждого цикла колебаний. Цвета указывают на завихренность - вращательную составляющую движения жидкости.

Эффект выпрямления основан на вихрях, которые более распространены при более высоких скоростях потока - то, что исследователи жидкостей описывают как более высокое число Рейнольдса. Ристроф и его коллеги обнаружили в своих симуляциях и экспериментах, что эффект наиболее выражен при числах Рейнольдса выше 2000 (скорость жидкости около 10 см / с для трубы диаметром 1,6 см, заполненной водой). Но это все еще наблюдалось для потоков с числом Рейнольдса всего 100 (скорость жидкости около 1 см / с в тех же экспериментах).
«Оказывается, для высоких чисел Рейнольдса срабатывает новая физика, которая открывает захватывающие возможности для управления потоком», - говорит Ристроф. Эффект может быть применен, например, для создания гидравлического контура, который перекачивает большие объемы охлаждающей жидкости или смазки в машину. Вибрация машины может вызвать колебательное воздействие в петлеобразной сети, которая предназначена для прокачки жидкости через систему.
«Эта статья - увлекательная демонстрация того, насколько противоречивыми могут быть высокие числа Рейнольдса», - говорит Элени Катифори из Университета Пенсильвании, которая изучает структуры, вдохновленные биологическими транспортными сетями. «Работа простая, изящная и довольно оригинальная».

Поправка (23 марта 2021 г.): В более ранней версии этой истории скорости жидкости для случаев низкого и высокого числа Рейнольдса были случайно переключены.