I ricercatori che studiano la fisica dei fluidi stanno imparando perché determinate situazioni aumentano il rischio che le goccioline trasmettano malattie come il COVID-19.

Alla 73a riunione annuale della divisione di fluidodinamica dell'American Physical Society, gli scienziati hanno offerto nuove prove che mostrano perché è pericoloso incontrarsi al chiuso, specialmente se fa freddo e umido, e anche se sei a più di un metro e ottanta dalle altre persone. Hanno suggerito quali maschere cattureranno le goccioline più infettive. E hanno fornito nuovi strumenti per misurare i super diffusori.

"I modelli epidemiologici attuali per le malattie respiratorie infettive non tengono conto della fisica del flusso sottostante alla trasmissione della malattia, ", ha affermato il professore di ingegneria dell'Università di Toronto Swetaprovo Chaudhuri, uno dei ricercatori.

Ma i fluidi e le loro dinamiche sono fondamentali per modellare il trasporto dei patogeni, che colpisce la trasmissione di malattie infettive, ha spiegato il fisico matematico e professore Lydia Bourouiba, Direttore del Laboratorio di fluidodinamica della trasmissione delle malattie al MIT. Ha tenuto una conferenza su invito sul corpus del lavoro che ha prodotto negli ultimi dieci anni per chiarire la fluidodinamica delle malattie infettive e la trasmissione delle malattie.

"Il mio lavoro ha dimostrato che le esalazioni non sono goccioline isolate, ma di fatto escono come una turbolenza, nuvola multifase. Questa nuvola di gas è fondamentale per aumentare la portata e modificare la fisica di evaporazione delle goccioline al suo interno, " ha detto Bourouiba. "Nel contesto delle malattie infettive respiratorie, in particolare ora COVID-19, questo lavoro sottolinea l'importanza di modificare le linee guida di distanziamento e protezione basate sulla ricerca fluidodinamica, in particolare per quanto riguarda la presenza di questa nuvola."

Bourouiba ha presentato esempi di una serie di malattie infettive tra cui COVID-19 e ha discusso della scoperta che l'espirazione coinvolge diversi regimi di flusso, oltre alla ricca frammentazione fluida instabile del fluido mucolivare complesso. La sua ricerca rivela l'importanza della fase gassosa, che può cambiare completamente l'immagine fisica dell'espirazione e delle goccioline.

Lo scienziato del Nordic Institute for Theoretical Physics Dhrubaditya Mitra e il suo team si sono resi conto che potevano usare le equazioni matematiche che governano il profumo per calcolare quanto tempo impiegherebbero le goccioline virali a raggiungerti all'interno. Si scopre:non molto lungo.

Il profumo indossato da qualcuno al tavolo vicino o nel cubicolo raggiunge il tuo naso grazie alla turbolenza nell'aria. Le goccioline fini emesse da una persona infetta si diffondono allo stesso modo. I ricercatori hanno scoperto che al di sotto di una distanza relativa nota come scala integrale, le goccioline si muovono balisticamente e molto velocemente.

Anche al di sopra della scala integrale, c'è pericolo. Considera un esempio in cui la scala integrale è di due metri. Se ti trovassi a tre metri, poco meno di dieci piedi, da una persona infetta, le loro goccioline ti raggiungerebbero quasi sicuramente in circa un minuto.

"Ci ha mostrato quanto siano futili la maggior parte delle regole di distanziamento sociale una volta che siamo in casa, "disse Mitra, che ha condotto la ricerca con il collega Akshay Bhatnagar presso il Nordic Institute for Theoretical Physics e Akhilesh Kumar Verma e Rahul Pandit presso l'Indian Institute of Science.

Oltre a viaggiare più lontano e più veloce, le goccioline possono anche sopravvivere all'interno più a lungo di quanto si credesse in precedenza.

La ricerca degli anni '30 ha analizzato per quanto tempo le goccioline respiratorie sopravvivono prima di evaporare o colpire il suolo. Le scoperte quasi secolari costituiscono la base del nostro attuale mantra per "stare a sei piedi di distanza" dagli altri.

I fisici dell'Università di Twente hanno rivisitato la questione. Hanno condotto una simulazione numerica che indica che la vita delle goccioline può estendersi più di 100 volte più a lungo di quanto suggerirebbero gli standard degli anni '30.

"Le attuali regole di distanziamento sociale si basano su un modello che ormai dovrebbe essere superato, " disse il fisico Detlef Lohse, che guidava la squadra.

In uno spazio freddo e umido, le goccioline espirate non evaporano così rapidamente. Il soffio caldo umido prodotto protegge anche le goccioline e ne prolunga la durata, così come gli effetti collettivi.

Alcune goccioline hanno più probabilità di altre di farti ammalare. Chaudhuri dell'Università di Toronto, con i ricercatori dell'Indian Institute of Science e della University of California San Diego, indagato perché, utilizzando esperimenti di goccioline di saliva umana e analisi computazionali.

Hanno scoperto che alcune delle goccioline più infettive iniziano con una dimensione da 10 a 50 micron. "Con certe premesse, sembra che se tutti indossano una maschera che può impedire l'espulsione di tutte le goccioline sopra i 5 micron, la curva della pandemia potrebbe essere appiattita, ", ha detto Chaudhuri.

Anche i residui di goccioline essiccate rappresentano un serio rischio:persistono molto più a lungo delle goccioline stesse e possono infettare un gran numero di persone se il virus rimane potente.

Il team ha utilizzato i risultati per sviluppare un modello di trasmissione della malattia. "Il nostro lavoro collega la fisica delle goccioline su microscala e il suo ruolo fondamentale nel determinare la diffusione dell'infezione su scala macro, ", ha detto Chaudhuri.

Per comprendere meglio le dinamiche delle goccioline nella pandemia di COVID-19, un team della Northwestern University e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha testato le capacità di un nuovo dispositivo indossabile. il sottile, senza fili, il sensore flessibile si attacca come un adesivo alla parte inferiore del collo per catturare i segnali vitali. Gli studi clinici in corso stanno utilizzando il dispositivo con i pazienti ospedalieri.

Il team ha scoperto che il dispositivo distingue tra tosse, parlando, ridendo, e altre attività di respirazione con i suoi algoritmi di apprendimento automatico. I ricercatori hanno utilizzato la velocimetria di tracciamento delle particelle e un misuratore di decibel per analizzare le goccioline prodotte da chi indossa il dispositivo.

"Diversi tipi di discorso possono generare numeri e dinamiche di goccioline drasticamente differenti, " ha detto il ricercatore di ingegneria biomedica Jin-Tae Kim, che ha condotto le indagini.

Il dispositivo può aiutare a far luce sul motivo per cui alcuni individui diventano insolitamente infettivi, i cosiddetti super-diffusori. "I nostri risultati affrontano ulteriormente la necessità fondamentale di sensori continui integrati nella pelle per comprendere meglio la pandemia, " ha detto Kim.