Физики разобрались с мытьем рук. Это следует делать 20 секунд

Неоднородный рельеф рук американский физик описал волнистой формой, благодаря чему удалось описать поведение жидкости гидродинамической теории смазки, а затем и выяснить, что частицам для удаления хватит 20 секунд. Своими рекомендациями по мытью рук с точки зрения физики ученые поделился в статье, опубликованной в Physics of Fluids. Сомневаться в том, что хорошая гигиена рук предотвращает заболевания, помогает контролировать их распространение и минимизировать риски заражения, даже если они передаются воздушно-капельным путем не имея физической модели под рукой. По рекомендациям ВОЗ и интуитивно мы понимаем, что для достижения хороших результатов необходимо усердие: они предлагают семь шагов для мытья рук, затрагивающих все их части, причем вымывать каждую часть нужно не менее пяти секунд. И интуитивно понятно, что быстрого всплеска воды под краном недостаточно, чтобы смыть грязь, которую мы нахватали в течение времени контактирования с окружающей средой. Впрочем, несмотря на более чем 170-летнюю историю мытья рук в области медицинской гигиены, американскому ученому Полу Хаммонду (Paul Hammond) не удалось найти ни одной опубликованной исследовательской статьи о физике потока воды при мытье рук. С научной точки зрения мы руководствуемся статьями о работе различных моющих средств, которые работают одинаково: обычно амфифильные молекулы вещества (например, мыла) встраиваются в мембраны, окружающие бактерию или вирус, разрушают их, и тем самым делают невозможным его дальнейшую жизнедеятельность. Затем вместе с мыльной водой мы смываем их. Учитывая этот процесс, у воды (или жидкости в целом) есть две ключевые роли: доставить химический агент к патогену на поверхности руки, а потом уже избавиться. Таким образом жидкостная механика конвекции-диффузии, что имеет место в потоке, очень важна. Ею и занялся исследователь.

В своей работе ученый предлагает простую жидкостную механическую модель для процесса удаления частиц во время мытья рук, которая могла бы стать отправной точкой для более сложного моделирования. Пока из-за недостатка предыдущей литературы по такой механики жидкостей, модель очень проста и не имеет данных о силах взаимодействия вирусов или бактерий с поверхностью или об отдельных особенностях моющих средств. В общем целью работы было показать, почему простого омовения рук водой будет недостаточно: моделируя мытья рук, он оценил масштабы времени, в течение которых частицы, такие как вирусы и бактерии, из них удалялись. Так модель описывает поток в заполненном жидкостью зазоре между поверхностями рук, которые трутся друг о друга, а также перенос химических веществ в этом зазоре и процессы, с помощью которых частицы перемещаются между руками и снова попадают в основной поток жидкости.

Для моделирования Хаммонд обратился к теории смазки (lubrication theory), которая геометрически описывает поток текучих сред (жидкостей или газов) в тонком слое между двумя стенками. Она рассказывает, например, о том, как летает шайба в аэрохоккеи, и имеет множество промышленных применений, например в конструкции гидравлических подшипников — помогает определить распределение давления в объеме жидкости и, следовательно, силы, действующей со стенками, в модели стали руки — их ученый описал как волнообразные объекты с неоднородным на компоненты подшипника. Отсюда, кстати, и название, ведь у подшипников жидкость это скорее смазка. Так рельефом. За ним, именно во впадинах ладоней концентрируется наибольшее количество вредных частиц, и именно движение ладоней относительно друг друга призвано удалить их оттуда благодаря потокам жидкости. Для того чтобы частицы могли вырваться, энергия потока воды должна быть достаточно высокой, чтобы они могли подняться и покинуть впадину. Соответственно, сила жидкости зависит от скорости движения руками. Если вы двигаете руками слабо, то есть медленно, сила, создаваемая жидкостью, не будут достаточной, чтобы преодолеть силу, которая удерживает частицу. Хаммонд сравнивает этот процесс с вытиранием пятна на рубашке: чем быстрее ваше движение, тем больше вероятность, что грязные частицы вылезут наружу из-за волокон ткани. И интересно, что результаты модели согласуются и с временными рекомендациями ВОЗ: чтобы уничтожить потенциальные вирусы и бактерии, нужно около 20 секунд энергичного движения руками. Значительного времени модель требует за скоростью, с которой наши руки со временем попадают на одну длину волны шероховатости, то есть буквально притираются и образуют области «сухого» контакта. По словам исследователя, несмотря на простоту, эта модель демонстрирует некоторые интересные особенности, например, наличие пороговой относительной скорости между руками, ниже которой частицы не удаляется из потенциальной ямы, связывающей их с руками.

Перевод материала nauka.ua