Фізика
Фізика

Фізики розібралися з миттям рук. Це варто робити 20 секунд

Механізм миття рук вперше описали як гідродинамічну модель, яка показала, що ефективність процесу залежить від двох факторів: часу та швидкості, з якою ви потираєте руки. Неоднорідний рельєф рук американський фізик описав хвилястою формою, завдяки чому вдалося описати поведінку рідини гідродинамічною теорією змащування, а відтак і з'ясувати, що частинкам для видалення вистачить 20 секунд. Своїми рекомендації щодо миття рук з точки зору фізики вчений поділився у статті, опублікованій у Physics of Fluids.

Ron Lach / Pexels

Ron Lach / Pexels

Як ми миємо руки?

Сумніватися у тому, що хороша гігієна рук запобігає захворюванням, допомагає контролювати їхнє поширення і мінімізувати ризики зараження, навіть якщо вони передаються повітряно-крапельним шляхом не варто і не маючи фізичної моделі під рукою. За рекомендаціями ВООЗ та інтуїтивно ми розуміємо, що для досягнення хороших результатів необхідна ретельність: вони пропонують сім кроків для миття рук, які зачіпають всі їхні частини, причому вимивати кожну частину потрібно не менше п'яти секунд. Та й інтуїтивно зрозуміло, що швидкого сплеску води під краном недостатньо, щоб змити бруд, який ми нахапали протягом часу контактування із навколишнім середовищем. Втім, не зважаючи на більш ніж 170-річну історію миття рук в області медичної гігієни, американському вченому Полу Хаммонду (Paul Hammond) не вдалося знайти жодної опублікованої дослідницької статті про фізику потоку води при митті рук. З наукової точки зору ми керуємося статтями про роботу різних миючих засобів, які у загальному працюють однаково: зазвичай амфіфільні молекули речовини (наприклад, мила) вбудовуються у мембрани, що оточують бактерію або вірус, руйнують їх, і тим самим унеможливлюють його подальшу життєдіяльність. Затим разом із мильною водою ми змиваємо їх. З огляду на цей процес, у води (або рідини загалом) є дві ключові ролі: доставити хімічний агент до патогену на поверхні руки, а потім вже їх разом позбутися. Таким чином рідинна механіка конвекції-дифузії, що має місце в потоці, дуже важлива. Нею і зайнявся дослідник.

Що про це говорить фізика?

У своїй роботі вчений пропонує просту рідинну механічну модель для процесу видалення частинок під час миття рук, яка могла б стати відправною точкою для більш складного моделювання. Поки через недостатню кількість попередньої літератури з такої механіки рідин, модель дуже проста і не має даних про сили взаємодії вірусів чи бактерій з поверхнею або про окремі особливості миючих засобів. Загалом метою роботи було показати, чому простого обмивання рук водою буде недостатньо: моделюючи миття рук, він оцінив масштаби часу, протягом яких частки, такі як віруси і бактерії, з них видалялися. Так модель описує потік в заповненому рідиною зазорі між поверхнями рук, які труться одна об одну, а також перенесення хімічних речовин в цьому зазорі і процеси, за допомогою яких частинки переміщуються між руками та знову потрапляють у основний потік рідини.

Змодельована Хаммондом траєкторія руху шкідливої частинки, яка потрапила до вас у руки (синя смуга). P. Hammond / Physics of Fluids, 2021

Змодельована Хаммондом траєкторія руху шкідливої частинки, яка потрапила до вас у руки (синя смуга). P. Hammond / Physics of Fluids, 2021

Для моделювання Хаммонд звернувся до теорії змащування (lubrication theory), яка геометрично описує потік текучих середовищ (рідин або газів) у тонкому шарі між двома стінками. Вона розповідає, наприклад, про те, як літає шайба в аерохокеї, та має безліч промислових застосувань через її роль у конструкції гідравлічних підшипників — допомагає визначити розподіл тиску в об'ємі рідини і, отже, сили, що діють на компоненти підшипника. Звідси, до речі, і назва, адже у підшипників рідина це радше мастило. Так двома стінками у моделі стали руки — їх вчений описав як хвилеподібні об'єкти з неоднорідним рельєфом. За ним, саме у западинах долонь концентрується найбільша кількість шкідливих частинок, і саме рух долонь відносно одна одної покликаний видалити їх звідти завдяки потокам рідини. Для того, щоб частинки могли вирватися, енергія потоку води повинна бути досить високою, щоб вони могли піднятися і покинути западину. Відповідно, сила рідини залежить від швидкості руху руками: сильніший потік ефективніше видалить частинки. Якщо ви рухатимете руками кволо, тобто повільно, сили, створювані рідиною, не будуть достатніми, щоб подолати силу, яка утримує частинку. Хаммонд порівнює цей процес з витиранням плями на сорочці: чим швидший ваш рух, тим більша ймовірність, що брудні частинки вилізуть назовні з-за волокон тканини. І цікаво, що результати моделі узгоджуються і з часовими рекомендаціями ВООЗ: щоб знищити потенційні віруси і бактерії, потрібно близько 20 секунд енергійного руху руками. Значного часу модель вимагає через швидкість, з якою наші руки з часом потрапляють на одну довжину хвилі шорсткості, тобто буквально притираються і утворюють області «сухого» контакту. За словами дослідника, не зважаючи на простоту, ця модель демонструє деякі цікаві особливості, наприклад, наявність порогової відносної швидкості між руками, нижче якої частинки не видаляються з потенційної ями, що зв'язує їх із руками.

потенційної ями
На частку одночасно діє і сила притягування, і сила відштовхування (щоб ті не проникли під шкіру) - це і є та яма, у яку вони потрапили, і з якої нам варто їх витягнути. З милом.