Создана модель потока воздуха при дыхании через маску для лица

Рекомендации медиков по предотвращению респираторных заболеваний в значительной степени не изменились со времен испанки 1918 года — одной из самых смертоносных пандемий в истории. Держите безопасную дистанцию от других людей. Часто мойте руки с мылом и водой, чтобы убить любые микробы, которые вы, возможно, подхватили. Закройте нос и рот маской для лица — даже та, что сделана из банданы, подойдет. Такие правила основаны на понимании того, что респираторные инфекции распространяются с помощью содержащих вирусные частицы капель жидкости, которые вылетают у человека изо рта при кашле или чихании. Исследование было опубликовано в журнале Journal of Fluid Mechanics.

Но более чем через столетие после того, как испанский грипп убил 50 миллионов человек во всем мире, ученые не до конца понимают принципы распространения этих капель. Раджат Миттал, профессор машиностроения в Инженерной школе Уайтинга и эксперт в области вычислительной гидродинамики, считает, что дальнейшие исследования в области физики распространения респираторных заболеваний будут иметь ключевое значение для сдерживания нынешней пандемии коронавируса.

Эта идея пришла в голову Митталу во время недавнего посещения продуктового магазина, где он заметил покупателей, одетых в защитные маски для лица . Его ум устремился туда, куда обычно устремляются умы исследователей — к науке.

«Я начал задаваться вопросом, есть ли какие-либо данные об аэродинамике этих масок, которые показывали бы, как потоки выдыхаемого воздуха распространяются через них, — говорит Миттал. — Когда я начал погружаться в литературу, стало ясно, что динамика жидкости пересекается почти с каждым аспектом этой пандемии. Процесс образования и переноса капель, процесс заражения, то, какие аппараты ИВЛ мы используем для лечения пациентов с этим заболеванием, даже профилактические меры вроде масок для лица — многие из этих проблем в конечном счете связаны с потоком жидкости».

Чтобы помочь стимулировать новое мышление и исследования в этой области, Миттал и команда его коллег по факультету составили обзор информации о влиянии динамики жидкости на распространение COVID-19. 

Погружение

Респираторные инфекции распространяются от человека к человеку через капли, несущие вирус, передаваемые воздушно-капельным путем или при контакте с поверхностью, загрязненной ими. Но их передача на самом деле зависит от большого числа факторов, включая количество капель, их размер и скорость их движения во время выдоха.

Например, при чихании может выделяться тысячи крупных капель с относительно высокой скоростью, в то время как при кашле создается в 10-100 раз меньше капель. При разговоре выбрасывается еще меньше капель — около 50 в секунду, и они меньше по размеру. Эти маленькие капельки с большей вероятностью задерживаются в воздухе, перемещаются на более дальние расстояния и передают инфекцию при вдохе другими людьми. Крупные капли, с другой стороны, с большей вероятностью загрязняют поверхности и передают инфекцию через них.

Как отмечает группа ученых, уже было проведено много исследований для точного измерения того, как образуются и транспортируются капельки. Однако консенсус в отношении поведения капель пока не достигнут из-за сложной природы явлений, а также сложности проведения измерений.

Одна из областей интереса для дальнейших исследований сосредоточена на образовании мелких капель во время обычной деятельности, такой как дыхание и разговор. Это может пролить свет на то, как COVID-19 передается бессимптомными носителями, которые нормально разговаривают или дышат.

«Наша гипотеза заключается в том, что вирус переносится очень мелкими каплями через воздух, — говорит эксперт по многофазному потоку Руи Ни, доцент кафедры машиностроения и один из авторов статьи. — Сейчас мы не до конца понимаем, как этот образующийся туман связан с транспортировкой вируса. Выводы нашей работы показывают эффекты принимаемых сегодня мер по предотвращению распространению коронавирусной инфекции».

Одно из исследований, приведенное в новой статье, показывает, что крупные капли, вылетающие при чихании, могут распространяться на 7 метров или более, поэтому 1,5 метров может быть недостаточно для устранения риска передачи инфекции. Согласно исследователям, другие вопросы, которые требуют более глубокого анализа, — это испарение и вдыхание капель, их поведение в помещении и на открытом воздухе, а также влияние температуры и влажности на скорость их распространения.

Моделирование

Стратегии сдерживания для COVID-19 основаны на том, что политики думают, что они знают о физике потока. Но Миттал и Ни предостерегают, что многое из этого основано на устаревшей информации.

«Мы выступаем за лучшую количественную оценку, за то, чтобы действительно количественно оценить эффективность таких стратегий, — говорит Миттал. — Кое-что из того, что мы делаем сейчас для борьбы с COVID-19 в 2020 году, основано на науке из статей, опубликованных в 1930-х годах. Мы так много узнали с тех пор, а значит эти знания нужно использовать на практике».

Например, даже спустя несколько месяцев после начала пандемии многие вопросы по-прежнему связаны с использованием масок для лица. Маски для лица часто предназначены для защиты человека, носящего маску — например, для защиты строителя от вдыхания опасной пыли. Но маски для лица от борьбы с передачей COVID-19 должны предлагать как внутреннюю, так и внешнюю защиту, защищая других так же, как владельца.

Ученые могут лучше понять, как улучшить внешнюю защиту, имитируя течение потока воздуха из отверстий вокруг носа и рта, говорит Юнг-Хи Сео, один из авторов работы. Он работает с Митталом и Корушем Шоэлом из Флоридского государственного университета над современными моделями для анализа воздушного потока и дисперсии капель в лицевых масках. Их моделирование учитывает различные формы лиц и структуры масок, что позволяет оценить эффективность различных конструкций этих средств индивидуальной защиты.

Исследователи находятся только в начале пути, но в конечном итоге эти симуляции могут помочь улучшить дизайн масок для лица, особенно для тех, кто шьет их дома.

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Facebook, Twitter, Telegram.