Forståelse af farlige dråbedynamikker

Forskere, der studerer væskens fysik, lærer, hvorfor visse situationer øger risikoen for, at dråber overfører sygdomme som COVID-19.

På det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics, forskerne tilbød nye beviser, der viser, hvorfor det er farligt at mødes indendørs - især hvis det er koldt og fugtigt, og selvom du er mere end seks meter væk fra andre mennesker. De foreslog, hvilke masker der fanger de mest smitsomme dråber. Og de leverede nye værktøjer til måling af superspredere.

"De nuværende epidemiologiske modeller for infektiøse luftvejssygdomme tager ikke højde for den underliggende flowfysik ved sygdomsoverførsel, "sagde ingeniørprofessor ved University of Toronto Swetaprovo Chaudhuri, en af ​​forskerne.

Men væsker og deres dynamik er afgørende for at forme patogen transport, som påvirker smitteoverførsel, forklarede matematisk fysiker og professor Lydia Bourouiba, Direktør for The Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory på MIT. Hun holdt en indbudt tale om det arbejde, hun har produceret i løbet af de sidste ti år, og belyste væskedynamikken ved infektionssygdomme og sygdomsoverførsel.

"Mit arbejde har vist, at udånding ikke er isolerede dråber, men faktisk kommer ud som en turbulent, flerfaset sky. Denne gassky er kritisk for at forbedre rækkevidden og ændre fordampningsfysikken for dråberne i den, "sagde Bourouiba." I forbindelse med infektionssygdomme i luftvejene, især nu COVID-19, dette arbejde understreger vigtigheden af ​​at ændre distancerings- og beskyttelsesretningslinjer baseret på forskning i væskedynamik, især hvad angår tilstedeværelsen af ​​denne sky. "

Bourouiba præsenterede eksempler fra en række infektionssygdomme, herunder COVID-19 og diskuterede opdagelsen af, at udånding involverer forskellige flowregimer, foruden rig ustabil fluidfragmentering af kompleks mucosalivary væske. Hendes forskning afslører betydningen af ​​gasfasen, som fuldstændigt kan ændre det fysiske billede af udånding og dråber.

Nordisk institut for teoretisk fysik videnskabsmand Dhrubaditya Mitra og hans team indså, at de kunne bruge de matematiske ligninger, der styrer parfume, til at beregne, hvor lang tid det ville tage for virale dråber at nå dig indendørs. Det viser sig:slet ikke særlig længe.

Parfume, der bæres af nogen ved det næste bord eller skab, når din næse takket være turbulens i luften. Fine dråber spydt af en inficeret person spredes på samme måde. Forskerne fandt ud af, at under en relativ afstand kendt som integralskalaen, dråber bevæger sig ballistisk og meget hurtigt.

Selv over den integrerede skala, der er fare. Overvej et eksempel, hvor den integrerede skala er to meter. Hvis du stod tre meter - lige under ti fod - fra en inficeret person, deres dråber ville næsten helt sikkert nå dig på cirka et minut.

"Det viste os, hvor forgæves de fleste sociale distanceringsregler er, når vi er indendørs, "sagde Mitra, der gennemførte forskningen med kollega Akshay Bhatnagar ved Nordic Institute for Theoretical Physics og Akhilesh Kumar Verma og Rahul Pandit ved Indian Institute of Science.

Udover at rejse længere og hurtigere, dråber kan også overleve længere indendørs end tidligere antaget.

Forskning i 1930'erne analyserede, hvor længe respirationsdråber overlever, før de fordamper eller rammer jorden. De næsten århundrede gamle fund danner grundlaget for vores nuværende mantra om at "holde sig seks meter væk" fra andre.

Fysikere fra University of Twente reviderede spørgsmålet igen. De udførte en numerisk simulering, der indikerer, at dråbe levetid kan forlænge mere end 100 gange længere end 1930'ernes standarder ville foreslå.

"Nuværende regler for social distancering er baseret på en model, som nu burde være forældet, sagde fysiker Detlef Lohse, der ledede holdet.

I et koldt og fugtigt rum, udåndede dråber fordamper ikke så hurtigt. Det varme fugtige puff produceret beskytter også dråber og forlænger deres levetid, ligesom kollektive effekter.

Nogle dråber er mere tilbøjelige til at gøre dig syg end andre. University of Toronto Chaudhuri, med forskere fra Indian Institute of Science og University of California San Diego, undersøgt hvorfor, ved hjælp af humane spytdråbeforsøg og beregningsanalyser.

De fandt ud af, at nogle af de mest smitsomme dråber starter ved 10 til 50 mikrometer i størrelse. "Med visse forudsætninger, det ser ud til, at hvis alle bærer en maske, der kan forhindre udstødning af alle dråber over 5 mikron, pandemikurven kunne blive flad, "sagde Chaudhuri.

Tørrede dråberester udgør også en alvorlig risiko:Den vedvarer meget længere end dråberne selv og kan inficere et stort antal mennesker, hvis virussen forbliver potent.

Teamet brugte deres fund til at udvikle en sygdomsoverførselsmodel. "Vores arbejde forbinder mikroskala dråbe fysik og dens grundlæggende rolle i at bestemme infektionsspredningen i en makroskala, "sagde Chaudhuri.

For bedre at forstå dråbedynamikken i COVID-19-pandemien, et team fra Northwestern University og University of Illinois i Urbana-Champaign testede kapaciteten af ​​en ny bærbar enhed. Den tynde, trådløs, fleksibel sensor fastgøres som et klistermærke i bunden af ​​nakken for at fange vitale signaler. Løbende kliniske undersøgelser anvender enheden med hospitalspatienter.

Teamet fandt ud af, at enheden skelner mellem hoste, taler, griner, og andre vejrtrækningsaktiviteter med dets algoritmer til maskinlæring. Forskere brugte partikelsporingshastighed og en decibelmåler til at analysere dråber produceret af enhedsbrugere.

"Forskellige typer tale kan generere drastisk forskellige tal og dynamik af dråber, "sagde biomedicinsk ingeniørforsker Jin-Tae Kim, der ledede undersøgelsen.

Enheden kan hjælpe med at belyse, hvorfor nogle individer bliver usædvanligt smitsomme-de såkaldte superspredere. "Vores fund adresserer yderligere det kritiske behov for kontinuerlige hudintegrerede sensorer for bedre at forstå pandemien, "sagde Kim.