Medical & biological engineering

, Volume 9, Issue 1, pp 45–60 | Cite as

Fluid mechanics of nutritive sucking behaviour: The suckling infant's oral apparatus analysed as a hydraulic pump

  • R. E. Kron
  • M. Litt
Article

Abstract

The suckling infant's feeding behaviour is analogous to the functioning of a pulsating pump, and may be studied through application of the physical principles for analysing macroscopic flow systems. An apparatus has been developed to measure pressure and flow during nutritive sucking. A theoretical analysis of the flow characteristics of this instrument provides several parameters whose values may be used to estimate the quantity of energy expended by the infant in generating pressure pulses and obtaining nutrient reinforcement. The analysis was tested by an experimental study of the dynamic performance of the instrument in which the infant was replaced by a calibrated source of steady pressure and pressure pulses. The findings confirm the theoretical prediction that within the range of acceptable experimental error the instrument will provide nutrient reinforcement proportional to the time-pressure curve of the sucking pulse. This method of measuring sucking permits the study of constitutional differences, as well as maturational and environmental influences upon feeding behaviour, and facilitates the investigation of the process of behavioural acquisition in the newborn. Within this context, learning during the newborn period may be conceptualized in terms of a gradual improvement in the efficiency of energy expenditure during operant discrimination schedules of nutrient reinforcement. The infant optimizes his work output and minimizes his effort by learning to suck only when the discriminant signal informs him that reinforcement is available.

Keywords

Nipple Nutrient Reinforcement Bottle Feeding Newborn Nursery Suckling Infant 

Nomenclature

P

pressure, mm Hg or dyn/cm2

V

velocity, cm/s

q

mass flow rate, g/s

d2

diameter of tube, cm

ρ

density of fluid, g/cm3

Wf

work lost to friction, ergs/g

μ

viscosity of fluid, g/cm-s

L

length of capillary, cm

dc

diameter of capillary, cm

z

height, cm

g

acceleration due to gravity 980 cm/s2

η

pump efficiency

Ws

pump work per mass of fluid, ergs/g

K

capillary constant=\(\frac{{128\mu L}}{{\pi d_c^4 \rho ^2 }}\)

Ws

pump power, ergs/s

Uav

average energy per gramme/average flow rate

Uinst

energy per gramme/flow rate

R

Uav/Uinst=shape factor

Sommaire

Le comportement de tétée du nourrisson est comparable au fonctionnement d'une pompe à pulsations et peut être étudié à la lumière des principes d'analyse physique des systèmes à courant macroscopique. Un appareil a été construit pour mesurer la pression et le débit pendant la tétée. L'analyse théorique des caractéristiques de débit de cet instrument procure différents paramètres, dont les valeurs peuvent servir à estimer la quantité d'énergie dépensée par le nourrisson en pulsions de pression et pour aspirer plus d'aliment. L'analyse a été vérifiée par une étude expérimentale de la performance dynamique de l'appareil, le nourrisson étant remplacé à cette fin par une source calibrée de pression régulière et de pulsions de pression. Les résultats confirment les prévisions théoriques, selon lesquelles, compte tenu de la marge d'erreur expérimentale acceptable, l'augmentation de la consommation d'aliment par l'appareil est proportionnelle à la courbe de temps et de pression de la pulsion de tétée. Cette méthode de mesure de la tétée permet d'étudier les différences de constitution, ainsi que les influences que l'âge et le milieu exercent sur le comportement d'alimentation; elle facilite aussi recherches sur le processus d'acquisition d'un comportement chez le nouveau-né. L'apprentisage des tout premiers jours peut être traduit, dans ce contexte, en fonction d'une amélioration graduelle de l'efficience de la dépense d'énergie pendant l'accomplissement de programmes discriminatoires d'augmentation de la quantité d'aliment. Le nourrisson optimalise le rendement de sa dépense d'énergie et réduit son effort au minimum en apprenant à ne téter que lorsque le signal discriminatoire lui indique que sa nourriture est disponible en quantité accrue.

Zusammenfassung

Des Säuglings Verhalten beim Stillen ist der Funktion einer pulsierenden Pumpe analog und kann durch Anwendung der physikalischen Prinzipien für die Analyse makroskopischer Strömungssysteme untersucht werden. Ein Apparat wurde entwickelt um Druck und Strom während des Ernährunssaugens zu messen. Eine theoretische Analyse der Strömungscharakteristiken dieses Instrumentes liefert einige Parameter deren Werte zur Schätzung der Energie verwendet werden können, die der Säugling zur Erzeugung von Druckpulsen und zum Erhalten ernährenden Nachschubes aufwendet. Die Analyse wurde durch eine experimentelle Untersuchung der dynamischen Leistung des Instrumentes geprüft, in welcher das Kind durch eine kalibrierte Quelle stetigen Druckes und von Druckpulsen ersetzt wurde. Die Befunde bestätigen die theoretische Vorhersage dass das Instrument, innerhalb der Grenzen annehmbaren experimentellen Irrtums, Nahrungszufuhr proportional zur Zeit/Druck-Kurve des Saugpulses bereitstellen wird. Die Methode der Messung des Saugens gestattet die Untersuchung konstitutioneller Unterschiede, wie auch von Reifungs-und Umgebungseinflüssen auf das Nahrungsaufnahme verhalten, und erleichtert die Untersuchung des Prozesses der Verhaltenserwerbung bei Neugeborenen. Innerhalb dieses Zusammenhanges kann Lernen in der Periode der Neugeburt in Ausdrücken stufenweiser Verbesserung im Wirkungsgrad von Energieaufwand während der Ausführung von Unterscheidungsplänen von Nahrungszufuhr aufgefasst werden. Das Kind optimalisiert seinen Arbeitsaufwand und minimalisiert seine Anstrengung indem es lernt, nur zu saugen wenn das Unterscheidungssignal es benachrichtigt dass Nachschub zur Verfügung steht.

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Copyright information

© International Federation for Medical and Biological Engineering 1971

Authors and Affiliations

  • R. E. Kron
    • 1
  • M. Litt
    • 2
  1. 1.Department of PsychiatryUniversity of Pennsylvania School of MedicinePhiladelphiaUSA
  2. 2.School of Chemical EngineeringUniversity of PennsylvaniaPhiladelphiaUSA

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