Рекомендация ВОЗ о мытье рук на протяжении 20 секунд нашла подтверждение в гидродинамике

Маттиа Прети, «Пилат умывает руки» (1663)

Metropolitan Museum of Art

Физик из США построил первую механическую модель мытья рук. В рамках простого приближения он показал, что эффективность мытья зависит от скорости движения рук относительно друг друга и от времени самого процесса. Результаты его моделирования качественно совпали с рекомендациями ВОЗ, согласно которым мыть руки следует не менее 20 секунд. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.

Мытье рук на сегодняшний день представляется самым экономичным и эффективным методом для борьбы с распространением инфекций, в том числе и COVID-19. Недавнее исследование показало, что мытье рук 6-10 раз в день ощутимо уменьшает риск заражения коронавирусной инфекцией.

Несмотря на 170-летнюю историю этой процедуры, физики ни разу не интересовались тем, как это происходит. Возможно, это связано с простотой процесса мытья, который интуитивно кажется понятным и не требующим изучения. Обычно, изучая мытье рук, ученые фокусируются на химической стороне процесса, не в последнюю очередь из-за того, что такие исследования часто финансируют крупные компании, производящие моющие средства. Однако за доставку химического агента к патогенам на поверхности рук отвечают законы гидродинамики, и потому исследования в этой области также необходимы.

Закрыть этот пробел решил доктор Пол Хаммонд (Paul Hammond), директор американской компании Hammond Consulting Limited. Он построил простейшую механическую модель мытья рук, решения которой могут быть вычислены аналитически. Для этого он применил хорошо известную в гидродинамике теорию смазки, в рамках которой рассматривается движение жидкости в тонком слое между двумя стенками (в данном случае роль стенок выполняют ладони).

Ладони физик описал как поверхности, обладающие периодической волнообразной формой, чтобы смоделировать их неоднородный рельеф. Во впадинах ладоней концентрируется самое большое количество вирусных частиц, и движение ладоней относительно друг друга призвано удалить их оттуда за счет потоков жидкости. Примечательно, что это не единственный механизм очищения: частицы также удаляются за счет сухого контакта точек поверхности ладоней друг с другом, однако из-за их сложной формы такой механизм вносит достаточно малый вклад.

В рамках предложенной модели на частицу, находящуюся вблизи стенки, действует короткодействующая сила притяжения. С другой стороны, частица не может проникнуть под кожу, и на совсем коротких расстояниях возникает отталкивание. Таким образом формируется потенциальная яма для частицы, которая удерживает ее у поверхности.

Физик начал вычисления с решения уравнений на скорость потока в приближении теории смазки. Зная распределение скоростей в жидкости, он вычислил силы, которые действуют на частицу со стороны потока. Автор использовал эти силы, чтобы смоделировать траекторию частицы со временем и понять, как вероятность покинуть потенциальную яму зависит от времени и параметров модели.

В результате расчетов физик обнаружил, что эта вероятность имеет пороговый характер. В частности, частицы будут удаляться, если зазор ладонями будет достаточно мал, шероховатость достаточно велика, а, главное, будет достаточной скорость движения поверхностей относительно друг друга. Однако даже в этом случае процесс уавления частицы не быстрый и требует некоторого времени. В частности, оценка времени эффективного мытья рук, полученная автором, по порядку величины совпала с рекомендацией ВОЗ, которая составляет 20 секунд.

В заключении работы ученый подчеркивает, что предложенная им модель — одна из самых простых в гидродинамике. В частости, в ней не учитывается инерция жидкости и броуновское движение частицы. Несмотря на это результаты моделирования неплохо соотносятся с практическими рекомендациями и будут полезны для комбинированного анализа того, насколько эффективно использование химических веществ при мытье рук.

Законы гидродинамики играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Мы уже писали ранее, как физики объяснили плавучесть микроорганизмов и описали плавание, ныряние и полет в рамках одной модели.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.