Бесклапанный насос

Это явление известно давно. Берется жесткая, но все еще сгибаемая трубка, концы ее соединяются коротким куском более гибкой трубки, образующей петлю, которая заполняется жидкостью. Затем ритмично сжимают и расслабляют гибкую секцию, наблюдая за движением жидкости. Казалось бы, она должна «отпрянуть» в стороны от пережатого участка, а затем вернуться обратно. Но нет, странным образом жидкость начинает двигаться в одном направлении по всему кольцу.

До сих пор никто не понимает, как такое примитивное устройство действует без всяких клапанов. Решить эту загадку попыталась математик из Нью-Йорка Юнок Янг. Еще в бытность студенткой она построила компьютерную модель этого «бесклапанного насоса». Программа имитировала детали тех сложных взаимодействий, которые возникают между жидкостью и стенками трубки, когда ее гибкий сегмент ритмически сжимается и освобождается. Результаты прогонки программы подтвердили ожидания: «жидкость» двигалась в одном направлении, как велогонщик по треку.

Янг меняла на своей модели частоту сжатия трубки. Вначале, как и ожидалось, увеличение частоты сжатий приводило к ускорению движения жидкости. Но затем выявилось нечто удивительное. При дальнейшем росте частоты поток стал замедляться. В конце концов, при скорости порядка трех сжатий в секунду он остановился, а затем начал двигаться в обратном направлении. При более высоких частотах скорость потока снова увеличилась, затем опять упала и при пяти сжатиях в секунду вновь поменяла направление. Так продолжалось и при дальнейшем увеличении частоты сжатия. Это было открытие. За четыреста лет применения бесклапанных насосов никто никогда не сообщал о таком явлении. Следовало проверить его на опыте — только прямой эксперимент мог бы показать, происходит ли то же самое в реальной трубке.

К счастью, Математический институт имени Куранта при Нью-Йоркском университете, где работала Янг, — одно из немногих математических исследовательских учреждений, где есть своя экспериментальная лаборатория. В ней был немедленно собран бесклапанный насос и… эксперимент показал ту же картину: по мере увеличения частоты сжатия резиновой секции насоса жидкость в нем то и дело меняла направление своего кольцевого движения.

Сегодня, перейдя на работу в Национальную лабораторию в Теннесси, Янг продолжает разгадывать тайну удивительного насоса. Как показывает компьютерная модель, каждое сдавливание гибкого сегмента посылает вдоль трубки волну сжатия. Это, полагает Янг, может двигать жидкость по кругу подобно тому, как ритмические перистальтические движения мускулов продвигают пищу вдоль кишечника. Но это не объясняет, почему при увеличении частоты сжатий движение жидкости замедляется и затем меняет направление на обратное.

Вскрытие этого механизма стоит того тяжелого труда, который собираются вложить исследователи, поскольку может помочь в решении важных реальных проблем. Так, например, некоторые моллюски – птероподы – используют для плавания метод, напоминающий работу бесклапанного насоса. Биологи до смерти хотели бы знать, как они это делают. Намечается также перспектива применения этих насосов для изучения циркуляции в человеческом организме. Дело в том, что на третьей – четвертой неделе беременности у человеческого зародыша уже происходит циркуляция жидкости, хотя его бьющееся сердце еще не имеет клапанов. «Бесклапанный насос» должен быть как-то замешан и в этом.

Но наиболее заманчивые перспективы его применения относятся к массированию грудной клетки, которое часто составляет единственную надежду на спасение человека, пораженного тяжелым сердечным инфарктом или электрическим шоком. Хотя такое массирование применяется для спасения жизней уже в течение 40 лет, врачи все еще не совсем понимают, в чем состоит его действие. Возможно, при этом сердце играет роль пассивного проводника крови, подобного жесткой секции бесклапанного насоса.

Этот последний вывод делает открытие Янг жизненно важным. При неверно выбранной частоте массированная кровь может совсем остановиться или даже потечь в неправильном направлении — с опасными последствиями для человека. В настоящее время Янг изучает этот процесс на компьютерной модели сердечной деятельности. Если она преуспеет, результатом будут рекомендации по наилучшему выполнению сердечно-легочной реанимации. И тогда ее странное открытие сможет помочь спасению человеческой жизни.

Ал Бухбиндер