Физики описали движение крупных капель кашля в ткани самодельных масок

Падение капли, летящей со скоростью два метра в секунду, на два вида тканей. Относительная площадь пор (с характерной шириной в сотни микрометров) в сечении ткани в материале слева — два процента, справа — 25 процентов

Физики экспериментально пронаблюдали за тем, как крупногабаритные (диаметром порядка полумиллиметра) капли воды проникают в слои хлопчатобумажных тканей и хирургических масок при типичных скоростях капель человеческого кашля (2–10 метров в секунду) и описали наблюдения теоретически. Ориентируясь на долю объема капель, который проникает сквозь ткань, авторы порекомендовали использовать для защиты трехслойные ткани из хлопка и грубого хлопка в случае, если полноценные медицинские маски по каким-либо причинам недоступны. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids.

Одни из основных рекомендаций ВОЗ на время пандемии ковида — соблюдение социальной дистанции и защита органов дыхания. Обе этих меры уменьшают вероятность заразиться воздушно-капельным путем — за счет метрового расстояния часть капель просто не добирается от распространителя до дыхательных путей его соседа, а маска (как на больном, так и на здоровом человеке) создает дополнительный физический барьер с окружающей средой.

Медицинские маски и респираторы доступны населению далеко не везде (в частности, из-за дефицита товара или низкого уровня дохода). В этом случае местные власти часто рекомендуют изготавливать тканевые многоразовые маски самостоятельно. Тем не менее, эффективность таких масок на сегодняшний день исследована не так тщательно, как хотелось бы — остается неясным, какие материалы лучше остальных задерживают капли жидкости и какова оптимальная толщина самодельной маски.

Физики из Индийского научного института под руководством Бал Кришан (Bal Krishan) решили экспериментально пронаблюдать за движением капель сквозь ткани, чтобы выявить оптимальный материал и толщину самодельной маски.

Для этого исследователи создавали капли деионизированной воды (ее физические свойства близки к свойствам дыхательной жидкости) размером порядка 0,5 миллиметра (на такие крупные капли приходится большая доля объема жидкости, распыляемой при кашле) и при помощи высокоскоростной съемки (20–30 тысяч кадров в секунду) следили за их падением на поверхность различных тканей в диапазоне скоростей капли при ударе 2–10 метров в секунду (с шагом в два метра в секунду).

Схема эксперимента

В опытах авторы использовали четыре вида тканей с различной пористостью (относительной площадью пор в поперечном слое маски), закупленных на местном рынке, а также один тип медицинской одноразовой маски.

Структура пор в материалах для самодельных масок до стирки (верхний ряд) и после 10 и 70 циклов стирки (снизу слева). Справа снизу — аналогичное изображение для медицинской маски в более крупном масштабе.

Чтобы оценить эффективность ткани, физики по изображению с камеры вычисляли диаметры вторичных капель, которые образовывались после удара с противоположной стороны маски и вычисляли процентное соотношение их суммарного объема к первоначальному объему капли. При этом размер падающей капли оставался приблизительно постоянным (450–570 микрометров в диаметре) — ученые решили пренебречь этой зависимостью в результатах по сравнению с зависимостью от скорости падения и пористости материала со ссылкой на более ранние публикации.

Кроме того, исследователи качественно описали процесс проникновения капли сквозь маску с точки зрения теории. В модели они выдвинули два критерия, которые отвечают за способность капли проникнуть сквозь маску: во-первых, кинетическая энергия ее движения должна превышать характерные энергетические потери из-за вязкости, а во-вторых — динамическое давление (то есть обусловленное движением капли) должно быть больше тормозящего капиллярного давления в порах ткани.

Оказалось, что полностью задержать капли могут только медицинские и хлопчатобумажные самодельные маски и лишь при скорости около двух метров в секунду — в остальных случаях капля частично проникает сквозь слой материала. Такой же результат дают и качественные теоретические оценки, что говорит об адекватности выбранной модели.

В соответствии с ожиданиями ученых, наибольшая объемная доля проникновения наблюдалась для быстрых капель и пористых материалов. Наблюдалась зависимость и от размера пор — при схожей пористости медицинская маска оказалась более эффективна за счет малой ширины пор — она была на порядок меньше, чем у других тканевых материалов. При этом при скоростях выше четырех метров в секунду (типичных для капель кашля) для всех масок, за исключением хлопковых, сквозь маску прошло свыше 20 процентов объема первичной капли.

Эффект размера пор: при почти равной доли площади пор медицинская маска (слева) лучше удерживает медленную каплю из-за того, что ее поры на порядок уже.

Физики также исследовали зависимость от количества слоев — на качественном уровне это равносильно снижению эффективной пористости материала, а потому эффективность маски с ростом числа слоев также должна расти. Для измерений исследователи использовали самую «небезопасную» маску (с наибольшей проникающей долей объема капли). Оказалось, что при наличии трех слоев вместо одного эта маска начинает пропускать менее 25 процентов объема даже при скорости удара 10 метров в секунду (тогда как один слой при той же скорости пропускал в среднем 70 процентов) — это подтверждает лучшую эффективность многослойных самодельных масок по сравнению с однослойными.

Кроме того, ученые проверили, как на результаты опыта влияет многократная стирка масок — несмотря на то, что пористость за десятки циклов стирки возрастала на несколько процентов, средняя ширина пор и эффективность маски до и после стирки были статистически неразличимы.

По итогам работы авторы порекомендовали использовать для самодельных масок многослойные хлопковые ткани — по словам ученых, это позволит свести к минимуму проникновение жидкости сквозь защитный материал. При этом исследователи подчеркнули необходимость использования любой доступной ткани для защиты органов дыхания, если приобрести маску или изготовить ее из конкретного материала по каким-либо причинам не удается.

Ранее мы рассказывали о том, как физик оценил «радиус поражения» чихания в 7–8 метров, и о том, как ученые вычислили, что больные ковидом наиболее заразны в день первого проявления симптомов.

Николай Мартыненко

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 20.09.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии