Вологі маски затримали швидкі краплі ефективніше сухих

Фізики порівняли, як вологі і сухі маски пропускають краплі міліметрових розмірів, які потрапляють на поверхню з типовою швидкістю крапель людського кашлю (близько метрів за секунду). Виявилося, що у вологих масок порогова швидкість, починаючи з якої краплі проникають крізь матеріал, може підвищуватися на десятки відсотків порівняно з сухими. Результати дослідження опубліковані в журналі.

Під час пандемії ковида ВООЗ рекомендує дотримуватися соціальної дистанції та захищати органи дихання. І та, й інша міра обережності дозволяє знизити ймовірність зараження повітряно-крапельним шляхом: за рахунок відстані частина крапель не встигає дістатися від хворої людини до здорової, а маски на них створюють додатковий бар'єр з навколишнім середовищем.

При цьому коли мова йде про дослідження ефективності масок, їх параметри вимірюють (як правило) для сухих зразків. У реальній же ситуації маска на обличчі людини поступово зволожується - наприклад, за рахунок мови, конденсації видихуваного вологого повітря, потовиділення або кашлю. На сьогоднішній день не цілком ясно, як саме таке зволоження позначається на параметрах масок.

Фізики з Індії, Канади і США під керівництвом Абхішек Саха (Abhishek Saha) з Каліфорнійського університету вирішили перевірити, як змінюється здатність масок утримувати краплі при їх поступовому зволоженні.

Для цього дослідники створювали краплі деіонізованої води (близької за властивостями до дихальної рідини) розміром близько двох міліметрів (як у найбільш великих крапель кашлю) і за допомогою високошвидкісної зйомки (4000 кадрів на секунду) стежили за тим, як маска пропускає почергово падаючі на неї краплі в діапазоні швидкостей краплі в момент дотику з поверхнею 2-4 метра на секунду.

В дослідах брало участь три типи масок: одна медична (з гідрофобного, тобто погано змочуваного водою матеріалу) і дві тканинних (гідрофільні - добре змочувані водою).

За кадрами зйомки автори відстежували частки обсягу краплі, які пройшли крізь маску і відбилися від неї, залишившись біля поверхні, а також, виходячи із збереження початкового обсягу, вираховували поглинуту порами частку обсягу. Потім фізики перевіряли, як змінюється порогова швидкість, при якій маска перестає утримувати краплю (тобто частка минулого крізь неї обсягу стає ненульовою) залежно від інших об'ємних часток і кількості крапель, що впали на маску.

За підсумками аналізу з'ясувалося, що у всіх трьох випадках у вологих масок порогова швидкість утримання великих крапель вище, ніж у сухих (однак у випадку однієї з тканинних масок ця закономірність проявилася не цілком надійно - при рівній кількості крапель максимальна швидкість, при якій маска не пропускала краплю в одному з дослідів, виявлялася більшою, ніж мінімальна швидкість, при якій маска її пропускала в іншому, що не дає коректно вирахувати порогову швидкість).

При цьому хоча якісно результати для гідрофобного і гідрофільних матеріалів виявилися схожі, на більш детальному рівні вони пояснюються різними механізмами. У разі гідрофобної медичної маски рідина накопичується на її зовнішній поверхні. Нові краплі б'ються об цей рідкий прошарок і, добираючись до самої маски, втрачають швидкість - в результаті такого гальмування волога маска може утримувати більш швидкі краплі, ніж суха (в ході досвіду порогова швидкість після зволоження збільшилася більш ніж в півтора рази).

Для гідрофільних масок картина виглядає по-іншому: їх матеріал влаштований так, що не відображає краплю на поверхні, а вбирає її. При цьому в сухій масці такого типу краплі поглинаються тільки за рахунок тих пір, які знаходяться в безпосередньому контакті з краплею. Коли ж маска стає вологою, в утриманні нової вологи починають брати участь і ті пори, які не стикаються з новою краплею, але вже вмістили рідину - за рахунок збільшення числа цих пір (яке пропорційно обсягу вологої області) і відбувається збільшення ефективності маски. Фізики підкреслюють, що домінуючою тут виявляється саме ця залежність від сукупного поглиненого обсягу, а не залежність від числа крапель, що впали.

Виходячи з аналізу механізмів утримання крапель, дослідники запропонували також теоретичні форми залежності порогової швидкості від частки відображеного (для гідрофобних масок) і поглиненого (для гідрофільних) обсягів, які на якісному рівні вірно описали дані спостережень.

Автори відзначають, що схема досвіду була далека від реальних умов носіння маски, і аналіз не враховував, наприклад, випаровування або конденсацію рідини, а також реальне положення маски на обличчі. Крім того, дослідження не показує, як при зволоженні змінюється здатність маски справлятися з більш дрібними краплями і захищати її власника від зараження - для відповіді на ці питання потрібен більш ретельний аналіз.

Раніше ми писали про те, як фізики описали рух великих крапель кашлю в тканинах саморобних масок і про те, як вчені виміряли користь масок у вірусних частинках.