I consigli sulla salute pubblica per evitare le malattie respiratorie sono rimasti sostanzialmente invariati dall'influenza spagnola del 1918, una delle pandemie più letali della storia. Mantieni una distanza di sicurezza dalle altre persone. Lavati spesso le mani con acqua e sapone per uccidere eventuali germi che potresti aver raccolto. Copri naso e bocca con una maschera per il viso, anche una fatta con una bandana andrà bene. Tale guida si basa sulla comprensione che le infezioni respiratorie si diffondono attraverso goccioline portatrici di virus che vengono espulse quando le persone infette tossiscono, starnuto, o respirare.

Ma più di un secolo dopo che l'influenza spagnola ha ucciso 50 milioni di persone in tutto il mondo, come si comportano queste goccioline di fluido rimane in gran parte un mistero. Rajat Mittal, professore di ingegneria meccanica alla Whiting School of Engineering ed esperto di fluidodinamica computazionale, ritiene che ulteriori ricerche sulla fisica del flusso delle malattie respiratorie saranno fondamentali per contenere l'attuale pandemia di coronavirus.

L'idea è venuta a Mittal durante una recente visita al negozio di alimentari, dove ha notato gli acquirenti che indossavano maschere protettive. La sua mente andava dove di solito va la mente dei ricercatori:alla scienza.

"Ho iniziato a chiedermi se ci fossero dati là fuori sull'aerodinamica di queste maschere per quantificare ciò che stanno realmente facendo, " Dice Mittal. "Quando ho iniziato a tuffarmi nella letteratura, è diventato chiaro che la fluidodinamica si interseca con quasi ogni aspetto di questa pandemia. Come si formano e trasportano le goccioline, come infettano gli altri, i ventilatori che usiamo per curare i pazienti con questa malattia, anche misure preventive come le maschere per il viso:molti di questi problemi sono in ultima analisi legati al flusso dei fluidi".

Per contribuire a stimolare nuove idee e ricerche in questo settore, Mittal e un team dei suoi colleghi di facoltà hanno compilato una panoramica della dinamica dei fluidi conosciuta di COVID-19 e quali domande rimangono. Questo rapporto è pubblicato su Journal of Fluid Mechanics .

Immergersi nelle goccioline

Le infezioni respiratorie si diffondono da persona a persona attraverso goccioline portatrici di virus per via aerea o per contatto con una superficie contaminata da goccioline. Le persone infette spesso espellono queste goccioline tossendo o starnutendo, un segno rivelatore che gli altri dovrebbero stare alla larga per evitare l'infezione. Ma la trasmissione dipende in realtà da una vasta gamma di fattori, compreso il numero di goccioline, la loro dimensione, e la loro velocità durante gli eventi espiratori come la tosse, starnuti, e respirare.

starnuti, Per esempio, può espellere migliaia di goccioline di grandi dimensioni a una velocità relativamente elevata, mentre la tosse genera 10-100 volte meno goccioline. Parlare espelle ancora un numero notevolmente inferiore di goccioline, circa 50 al secondo, e sono più piccoli. Queste piccole goccioline hanno maggiori probabilità di rimanere sospese nell'aria, percorrere distanze maggiori, e trasmettono l'infezione una volta inalati. Goccioline grandi, d'altra parte, hanno maggiori probabilità di contaminare le superfici e trasmettere l'infezione al tatto.

Come osserva il team nel documento, sono già stati condotti molti studi per misurare con precisione come vengono generate e trasportate le goccioline. Però, il consenso sul comportamento delle goccioline rimane sfuggente a causa della natura complessa dei fenomeni, così come la difficoltà di effettuare tali misurazioni.

Un'area di interesse per ulteriori ricerche si concentra sulla formazione di piccole goccioline durante le normali attività come respirare e parlare. Questo potrebbe far luce su come il COVID-19 viene trasmesso da portatori asintomatici che parlano o respirano normalmente.

"Un'ipotesi è che il virus sia trasportato da goccioline molto sottili trasportate dall'aria, " afferma Rui Ni, esperto di flussi multifase, un assistente professore di ingegneria meccanica e un collaboratore alla carta. "Proprio adesso, non capiamo appieno come funziona questa nebbia sottile nel trasporto del virus. E questo ha grandi implicazioni per il distanziamento sociale, se basiamo queste linee guida solo sul presupposto che le goccioline possono raggiungere una certa distanza".

Infatti, uno studio citato nel loro articolo mostra che le grandi goccioline espulse dagli starnuti possono viaggiare per 20 piedi o più, quindi 6 piedi potrebbero non essere sufficienti per eliminare il rischio di trasmissione. Secondo la squadra, altri problemi che meritano un'analisi più approfondita sono l'evaporazione e l'inalazione delle goccioline, come si comportano le goccioline in ambienti interni rispetto a quelli esterni, e come la temperatura e l'umidità influenzano le velocità di trasmissione.

Simulazione di soluzioni

Le strategie di contenimento per COVID-19 si basano su ciò che i politici pensano di sapere sulla fisica del flusso. Ma Mittal e Ni avvertono che gran parte di ciò si basa su informazioni obsolete.

"Stiamo sostenendo una migliore quantificazione, per aver messo davvero i numeri dietro queste idee, " Dice Mittal. "Alcuni di ciò che stiamo facendo ora per combattere il COVID-19 nel 2020 si basa sulla scienza di documenti pubblicati negli anni '30. Abbiamo imparato così tanto da allora, ma la politica deve recuperare".

Ad esempio, anche mesi dopo la pandemia, molte domande circondano ancora l'uso delle maschere per il viso. Le maschere per il viso sono spesso progettate per proteggere la persona che indossa la maschera:pensa a un operaio edile che cerca di evitare di inalare polvere pericolosa, ad esempio. Ma le maschere per combattere la trasmissione di COVID-19 dovrebbero offrire protezione sia interna che esterna, proteggere gli altri tanto quanto protegge chi lo indossa.

Gli scienziati possono capire meglio come migliorare la protezione verso l'esterno simulando la perdita di flusso causata da spazi intorno al naso e alla bocca, dice Jung-Hee Seo, professore associato di ingegneria meccanica. Sta lavorando con Mittal e Koroush Shoele della Florida State University su simulazioni all'avanguardia per analizzare il flusso d'aria e la dispersione delle gocce nelle maschere per il viso. Le loro simulazioni tengono conto di diverse forme del viso e strutture della maschera, consentendo loro di valutare l'efficacia di vari modelli di maschere.

Lo studio è agli inizi, ma alla fine, queste simulazioni potrebbero informare i progetti migliori per le maschere per il viso, soprattutto per chi cuce mascherine a casa, aggiunge Mittal.

"Se qualcuno sta facendo una maschera per il viso a casa, possiamo dire loro un semplice passaggio per migliorare la maschera facciale in quello che dovrebbe fare?", chiede.

Fluidodinamica in azione

Come tanti scienziati, politici e pubblico, del resto, il team sta già pensando a un momento in cui la vita tornerà a un certo senso di normalità. Si chiedono:come è possibile farlo riducendo al minimo le nuove trasmissioni?

Le decisioni di riapertura trarranno vantaggio dalle nuove scoperte sulla fisica del flusso della trasmissione di COVID-19, dicono i ricercatori. "Pensa agli studenti che tornano in un campus universitario. Se sappiamo di più sull'aerodinamica del movimento delle goccioline, potremmo potenzialmente riprogettare i sistemi HVAC per ridurre la dispersione di goccioline in un dormitorio, Per esempio, "Ni dice. "La stessa idea potrebbe funzionare con le case di cura. Se tutti indossiamo maschere, come influisce sulla pratica del distanziamento sociale? Se mettiamo più scienza dietro questa linea di pensiero, possiamo aprire il Paese in modo più sicuro".

Il nuovo coronavirus è una sfida in evoluzione e complessa, ei ricercatori di ogni disciplina possono affrontare solo un piccolo aspetto della crisi. Ancora, Mittal vede un'enorme opportunità per coloro che operano nel campo della fluidodinamica di contribuire a una soluzione.

"Questo è al centro della nostra area di competenza, ", afferma. "Possiamo fornire approfondimenti e strumenti che ci assicureranno di essere meglio preparati per affrontare il prossimo focolaio di COVID-19 o malattie simili".