Влажные маски задержали быстрые капли эффективнее сухих

Физики сравнили, как влажные и сухие маски пропускают капли миллиметровых размеров, которые попадают на поверхность с типичной скоростью капель человеческого кашля (порядка метров в секунду). Оказалось, что у влажных масок пороговая скорость, начиная с которой капли проникают сквозь материал, может повышаться на десятки процентов по сравнению с сухими. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Во время пандемии ковида ВОЗ рекомендует соблюдать социальную дистанцию и защищать органы дыхания. И та, и другая мера предосторожности позволяет снизить вероятность заражения воздушно-капельным путем: за счет расстояния часть капель не успевает добраться от больного человека до здорового, а маски на них создают дополнительный барьер с окружающей средой.

При этом когда речь идет об исследованиях эффективности масок, их параметры измеряют (как правило) для сухих образцов. В реальной же ситуации маска на лице человека постепенно увлажняется — например, за счет речи, конденсации выдыхаемого влажного воздуха, потоотделения или кашля. На сегодняшний день не вполне ясно, как именно такое увлажнение сказывается на параметрах масок.

Физики из Индии, Канады и США под руководством Абхишек Саха (Abhishek Saha) из Калифорнийского университета решили проверить, как изменяется способность масок удерживать капли при их постепенном увлажнении.

Для этого исследователи создавали капли деионизированной воды (близкой по свойствам к дыхательной жидкости) размером около двух миллиметров (как у наиболее крупных капель кашля) и с помощью высокоскоростной съемки (4000 кадров в секунду) следили за тем, как маска пропускает поочередно падающие на нее капли в диапазоне скоростей капли в момент соприкосновения с поверхностью 2–4 метра в секунду.

В опытах участвовало три типа масок: одна медицинская (из гидрофобного, то есть плохо смачиваемого водой материала) и две тканевых (гидрофильные — хорошо смачиваемые водой).

По кадрам съемки авторы отслеживали доли объема капли, которые прошли сквозь маску и отразились от нее, оставшись у поверхности, а также, исходя из сохранения первоначального объема, вычисляли поглощенную порами долю объема. Затем физики проверяли, как меняется пороговая скорость, при которой маска перестает удерживать каплю (то есть доля прошедшего сквозь нее объема становится ненулевой) в зависимости от остальных объемных долей и количества упавших на маску капель.

По итогам анализа выяснилось, что во всех трех случаях у влажных масок пороговая скорость удержания крупных капель выше, чем у сухих (однако в случае одной из тканевых масок эта закономерность проявилась не вполне надежно — при равном количестве капель максимальная скорость, при которой маска не пропускала каплю в одном из опытов, оказывалась больше, чем минимальная скорость, при которой маска ее пропускала в другом, что не дает корректно вычислить пороговую скорость).

При этом хотя качественно результаты для гидрофобного и гидрофильных материалов оказались похожи, на более детальном уровне они объясняются разными механизмами. В случае гидрофобной медицинской маски жидкость накапливается на ее внешней поверхности. Новые капли бьются об эту жидкую прослойку и, добираясь до самой маски, теряют скорость — в результате такого торможения влажная маска может удерживать более быстрые капли, чем сухая (в ходе опыта пороговая скорость после увлажнения увеличилась более чем в полтора раза).

Для гидрофильных масок картина выглядит по-другому: их материал устроен так, что не отражает каплю на поверхности, а впитывает ее. При этом в сухой маске такого типа капли поглощаются только за счет тех пор, которые находятся в непосредственном контакте с каплей. Когда же маска становится влажной, в удержании новой влаги начинают принимать участие и те поры, которые не соприкасаются с новой каплей, но уже вместили жидкость — за счет увеличения числа этих пор (которое пропорционально объему влажной области) и происходит увеличение эффективности маски. Физики подчеркивают, что доминирующей здесь оказывается именно эта зависимость от совокупного поглощенного объема, а не зависимость от числа упавших капель.

Исходя из анализа механизмов удержания капель, исследователи предложили также теоретические формы зависимости пороговой скорости от доли отраженного (для гидрофобных масок) и поглощенного (для гидрофильных) объемов, которые на качественном уровне верно описали данные наблюдений.

Авторы отмечают, что схема опыта была далека от реальных условий ношения маски, и анализ не учитывал, например, испарение или конденсацию жидкости, а также реальное положение маски на лице. Кроме того, исследование не показывает, как при увлажнении меняется способность маски справляться с более мелкими каплями и ограждать ее обладателя от заражения — для ответа на эти вопросы требуется более тщательный анализ.

Ранее мы писали о том, как физики описали движение крупных капель кашля в тканях самодельных масок и о том, как ученые измерили пользу масок в вирусных частицах.

Николай Мартыненко