Фізики описали рух великих крапель кашлю в тканині саморобних масок

Фізики експериментально поспостерігали за тим, як великогабаритні (діаметром близько півміліметра) краплі води проникають у шари бавовняних тканин і хірургічних масок при типових швидкостях крапель людського кашлю (2-10 метрів на секунду) і описали спостереження теоретично. Орієнтуючись на частку обсягу крапель, який проникає крізь тканину, автори порекомендували використовувати для захисту тришарові тканини з бавовни і грубого бавовни в разі, якщо повноцінні медичні маски з якихось причин недоступні. Результати дослідження опубліковані в журналі.

Одні з основних рекомендацій ВООЗ на час пандемії ковида - дотримання соціальної дистанції та захист органів дихання. Обидва цих заходи зменшують ймовірність заразитися повітряно-крапельним шляхом - за рахунок метрової відстані частина крапель просто не добирається від розповсюджувача до дихальних шляхів його сусіда, а маска (як на хворому, так і на здоровій людині) створює додатковий фізичний бар'єр з навколишнім середовищем.

Медичні маски і респіратори доступні населенню далеко не скрізь (зокрема, через дефіцит товару або низький рівень доходу). У цьому випадку місцева влада часто рекомендує виготовляти тканинні багаторазові маски самостійно. Тим не менш, ефективність таких масок на сьогоднішній день досліджена не так ретельно, як хотілося б - залишається неясним, які матеріали краще інших затримують краплі рідини і яка оптимальна товщина саморобної маски.

Фізики з Індійського наукового інституту під керівництвом Бал Крішан (Bal Krishan) вирішили експериментально поспостерігати за рухом крапель крізь тканини, щоб виявити оптимальний матеріал і товщину саморобної маски.

Для цього дослідники створювали краплі деіонізованої води (її фізичні властивості близькі до властивостей дихальної рідини) розміром близько 0,5 міліметра (на такі великі краплі припадає велика частка обсягу рідини, що розпорошується при кашлі) і за допомогою високошвидкісної зйомки (20-30 тисяч кадрів на секунду) стежили за їх падінням на поверхню різних тканин в діапазоні швидкостей краплі при ударі 2-10 метрів в секунду (з кроком в два метри в секунду).

В дослідах автори використовували чотири види тканин з різною пористістю (відносною площею пор в поперечному шарі маски), закуплених на місцевому ринку, а також один тип медичної одноразової маски.

Щоб оцінити ефективність тканини, фізики за зображенням з камери обчислювали діаметри вторинних крапель, які утворювалися після удару з протилежного боку маски і обчислювали процентне співвідношення їх сумарного обсягу до початкового обсягу краплі. При цьому розмір падаючої краплі залишався приблизно постійним (450-570 мікрометрів у діаметрі) - вчені вирішили знехтувати цією залежністю в результатах порівняно із залежністю від швидкості падіння і пористості матеріалу з посиланням на більш ранні публікації.

Крім того, дослідники якісно описали процес проникнення краплі крізь маску з точки зору теорії. У моделі вони висунули два критерії, які відповідають за здатність краплі проникнути крізь маску: по-перше, кінетична енергія її руху повинна перевищувати характерні енергетичні втрати через в'язкість, а по-друге - динамічний тиск (тобто обумовлений рухом краплі) має бути більше гальмуючого капілярного тиску в порах тканини.

Виявилося, що повністю затримати краплі можуть тільки медичні та бавовняні саморобні маски і лише при швидкості близько двох метрів на секунду - в інших випадках крапля частково проникає крізь шар матеріалу. Такий же результат дають і якісні теоретичні оцінки, що говорить про адекватність обраної моделі.

Відповідно до очікувань вчених, найбільша об'ємна частка проникнення спостерігалася для швидких крапель і пористих матеріалів. Спостерігалася залежність і від розміру пор - при схожій пористості медична маска виявилася більш ефективна за рахунок малої ширини пор - вона була на порядок менше, ніж у інших тканинних матеріалів. При цьому при швидкостях вище чотирьох метрів на секунду (типових для крапель кашлю) для всіх масок, за винятком бавовняних, крізь маску пройшло понад 20 відсотків обсягу первинної краплі.

Фізики також досліджували залежність від кількості шарів - на якісному рівні це рівносильно зниженню ефективної пористості матеріалу, а тому ефективність маски зі зростанням числа шарів також повинна зростати. Для вимірювань дослідники використовували найбільш «небезпечну» маску (з найбільшою проникаючою часткою обсягу краплі). Виявилося, що при наявності трьох шарів замість одного ця маска починає пропускати менше 25 відсотків обсягу навіть при швидкості удару 10 метрів в секунду (тоді як один шар при тій же швидкості пропускав в середньому 70 відсотків) - це підтверджує кращу ефективність багатошарових саморобних масок порівняно з одношаровими.

Крім того, вчені перевірили, як на результати досвіду впливає багаторазове прання масок - незважаючи на те, що пористість за десятки циклів прання зростала на кілька відсотків, середня ширина пір і ефективність маски до і після прання були статистично непристойні.

За підсумками роботи автори порекомендували використовувати для саморобних масок багатошарові бавовняні тканини - за словами вчених, це дозволить звести до мінімуму проникнення рідини крізь захисний матеріал. При цьому дослідники підкреслили необхідність використання будь-якої доступної тканини для захисту органів дихання, якщо придбати маску або виготовити її з конкретного матеріалу з якихось причин не вдається.

Раніше ми розповідали про те, як фізик оцінив «радіус ураження» чхання в 7-8 метрів, і про те, як вчені вирахували, що хворі на ковід найбільш заразні в день першого прояву симптомів.