理解流体力学对阻止病毒传播至关重要

People practice coughing into their sleeves as a way to try to control the spread of the H1N1 swine flu virus, during a meeting for workers at the Maryland Department of Health and Mental Hygiene in Baltimore, September 3, 2009. The new H1N1 virus has killed 36 U.S. children, the U.S. Centers for Disease Control and Prevention reported on Thursday. REUTERS/Jonathan Ernst (UNITED STATES HEALTH) - GM1E5940AL301
People practice coughing into their sleeves to limit transmission of COVID-19.Image: REUTERS/Jonathan Ernst
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  • 虽然保持社交距离已减缓了新冠肺炎的传播,但了解空气传播飞沫的传播方式对于为公共卫生决策提供依据仍然十分重要。

  • 我们咳嗽或打喷嚏时会排出微飞沫,其运动遵循流体力学原理。

  • 研究表明,这些飞沫的传播距离可达7米(20英尺)。

新冠肺炎尖锐地凸显了呼吸道传染病对人类的影响。它还表明,抵御健康危机的最有力屏障是以科学为坚实基础的政府政策。

为遏制疾病传播,许多政府实施了限制人与人之间实际接触的政策。这直接影响了我们的日常生活:人们的出行方式、工作地点以及彼此交往的方式。

这些政策是良好的第一步,但其作用有限,因为它们没有充分考虑病毒在人与人之间的实际传播方式,即物理传播途径。部分答案或许存在于一门名为流体力学的学科之中,即研究流体如何运动的学问。

了解流体如何运动,有助于我们理解导致新冠肺炎的病毒如何从感染者传播给他人。这是因为,我们咳嗽或打喷嚏时排出的微飞沫,其运动受流体力学原理支配。了解病毒的传播方式,可以为公共卫生干预措施提供依据,从而将风险降至最低。

流体力学与流行病学交叉领域的最新研究成果,已经开始使我们对新冠肺炎的物理传播途径有了至少一定程度的认识。例如,最近的研究表明,咳嗽或打喷嚏会产生一种多相混沌气体云。这种气体云输送病毒病原体的距离远超预期。

越来越多的证据促使世界卫生组织(世卫组织)承认冠状病毒可通过悬浮在空气中的微小颗粒传播。

流体力学的研究

流体力学是研究流体如何运动的学科。这听起来或许简单,但实际上非常复杂。

首先,有必要理解“运动”的含义。物理学家艾萨克·牛顿爵士证明,要改变物体的运动状态,需要一种称为力的作用。这种力必须作用于物体上,而该力的大小和方向等于物体质量与加速度的乘积。

流体力学是研究流体如何运动的学科。Image: L. Bourouiba 教授,MIT/JAMA Networks

加速度指的是某物体速度随时间的变化情况(即速度的变化率)。此外,物体的速度是指其在一定时间内所经过的距离。因此,牛顿运动定律可以帮助我们预测物体如何在时空中运动,并据此计算物体在任意时刻的位置。

我们可以将牛顿的运动定律应用于流体,以尝试解释流体如何运动。流体是一种这样的物质:当对其施加力时,其粒子之间会发生较大的相对运动。

换言之,流体的决定性特征在于其易于变形。流体没有固定的形状。水等任何液体都是很好的例子,而我们周围的空气也可被视为一种流体。流体与固体之间的界限并不分明,在某些情况下,果冻、干涂料和沥青等固体物质也会表现出流体的特性,反之亦然反之亦然。

流体的一个重要特征是它们能够输送“物质”;这些“物质”可以是热量、污染物、病原体或其他流体。因此,流体力学的研究对于理解我们所生活的世界至关重要。例如,流体力学可以帮助我们建模并预测太阳的热量如何在全球范围内输送(可联想到气候变化)。另一个例子是流体力学在呼吸道疾病(如新冠肺炎)传播研究中的应用。

将流体力学应用于新冠肺炎研究

近期研究表明,我们目前对呼吸道疾病传播途径的理解存在局限,且其所依据的模型过于简化。最新进展在流体力学与流行病学领域的研究表明,因打喷嚏或咳嗽而排出的湍流气团,其输送病原体的距离远超预期。

当我们呼吸、咳嗽或打喷嚏时排出的“气团”或“羽流”的特征,对于理解流体飞沫的输送方式至关重要。

“气团”内的流体飞沫会受到与“气团”或“羽流”相关的复杂气流模式及其与周围空气相互作用的扭曲。这一过程可能会将一个流体飞沫破碎成若干碎片,这些碎片会脱离悬浮状态,从而污染许多表面。当然,破碎过程也可能产生更小的颗粒,这些颗粒能够传播得比较大的颗粒更远。

研究还表明,流场、温度和湿度会影响这些飞沫的传播距离。这对世卫组织规定的1至2米(3至6英尺)物理距离指南具有影响。研究表明,这些飞沫的传播距离可达7米(20英尺)。这一结论并未考虑因建筑通风系统而可能被输送得更远的微飞沫。

在一封致世卫组织的公开信中,200多名科学家近日指责该组织低估了新冠肺炎经空气传播的可能性。鉴于世卫组织的最新声明,这些指南很可能会被修订。

流体力学的原理已被应用于通风设计和职业健康领域;我们对流体力学与流行病学的新认识,或许可用于改进建筑通风系统。我们所学到的知识也可能为政府制定政策提供参考,以减少未来类似新冠肺炎的大流行病的传播。

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