L'ultima ricerca dai laboratori degli scienziati della Penn Paulo Arratia e Douglas Jerolmack è stata una risposta a "una richiesta di aiuto", afferma Arratia.

Era il 2020 e la Philadelphia Orchestra, come tante istituzioni culturali, aveva sospeso le esibizioni a causa della pandemia di COVID-19. Attraverso PJ Brennan, direttore medico del sistema sanitario dell'Università della Pennsylvania, l'Orchestra ha cercato competenze per aiutare a capire se i suoi musicisti potevano tornare a suonare in una disposizione fisica sicura che riducesse al minimo le possibilità di esporsi l'un l'altro, o il loro pubblico, alla SARS -CoV-2.

"Il direttore dell'Orchestra non voleva che i musicisti fossero lontani l'uno dall'altro; avevano bisogno di essere vicini per produrre il miglior suono", afferma Arratia, della School of Engineering and Applied Science. "E tuttavia, se dovevano essere separati con il plexiglass, anche questo rappresentava un problema". I musicisti hanno segnalato problemi di udito e scarsa visibilità con i divisori in plexiglass. "La sfida era:come possiamo allontanarci da questo al punto in cui possono giocare senza ostacoli ma comunque in sicurezza", afferma Arratia.

Ora, in una pubblicazione su Fisica dei fluidi , Arratia, Jerolmack e colleghi riferiscono delle loro scoperte, che suggeriscono che gli aerosol prodotti dai musicisti si dissolvono entro circa sei piedi. I risultati non solo hanno informato l'arrangiamento della Philadelphia Orchestra che ha ripreso le esibizioni nell'estate del 2020, ma hanno anche gettato le basi per come altri gruppi musicali potrebbero pensare di riunirsi e suonare in sicurezza.

"Avere esperti come Paulo e Doug, in grado di misurare la dimensione delle particelle, la traiettoria, la distanza e la velocità, è stato davvero prezioso nel prendere decisioni per l'orchestra", afferma Brennan, che ora fa parte del Consiglio di amministrazione dell'Orchestra. "Tali decisioni includevano la distanza tra i giocatori, la distanza tra le sezioni, che avevano bisogno di mascherarsi. Quando hanno raccolto queste informazioni, insieme ai test e al monitoraggio dei casi che stava facendo Penn Medicine, ci hanno aiutato a prendere decisioni con sicurezza".

Approccio sperimentale

La ricerca si è basata sulle domande su quante particelle di aerosol hanno generato i musicisti, quanto densamente le particelle sono state emesse dagli strumenti e quanto velocemente hanno viaggiato nell'aria.

"Puoi far uscire un grande getto d'aria, ma se la concentrazione di aerosol è molto bassa non ha molta importanza", afferma Jerolmack, della School of Arts &Sciences. "Oppure puoi avere molti aerosol che si concentrano in un raggio stretto. Queste cose sono importanti da capire."

Per raccogliere dati, i ricercatori hanno invitato i musicisti dell'Orchestra al campus, portando con sé i loro strumenti a fiato, inclusi flauti, tube, clarinetti, trombe, oboi e fagotti.

Per visualizzare e tracciare gli aerosol che fuoriescono dagli strumenti mentre i musicisti suonavano, i ricercatori hanno utilizzato un umidificatore che emetteva goccioline di vapore acqueo all'estremità della campana degli strumenti. Questa disposizione è stata spostata solo per il suonatore di flauto, per il quale l'umidificatore è stato posizionato vicino alla bocca del musicista anziché alla campana, poiché l'aria viaggia sopra il bocchino mentre suona quello strumento.

I ricercatori hanno quindi proiettato un raggio laser attraverso la "nebbia" creata dall'umidificatore, illuminando le particelle di aerosol e consentendo loro di essere catturate da una telecamera ad alta velocità e da un contatore di particelle.

"È proprio come in una giornata piovosa; vedrai le gocce d'acqua se il sole splende attraverso", dice Arratia.

I musicisti hanno suonato le scale ininterrottamente per due minuti. Si è rivelato alquanto sorprendente per i ricercatori scoprire che i musicisti di strumenti a fiato producevano aerosol con una concentrazione simile a quella emessa durante la respirazione e il parlato normali, da circa 0,3 a 1 micrometro di diametro.

Particelle di queste dimensioni, affermano i ricercatori, sono abbastanza piccole da viaggiare lontano nell'aria, a condizione che il flusso d'aria sia abbastanza forte da portarle lì. Pertanto, misurare la loro concentrazione e il flusso è diventato importante per comprendere il potenziale rischio di un musicista che potrebbe trasmettere SARS-CoV-2 a un'altra persona.

Valutando la velocità del flusso, i ricercatori hanno misurato velocità di circa 0,1 metri al secondo, ordini di grandezza inferiori a quella di uno starnuto, che può viaggiare da 5 a 10 metri al secondo. Il flauto era un valore anomalo, ma raggiungeva comunque velocità di flusso di circa 0,7 metri al secondo.

"When you observe the flow, you see these puffs and eddies, and we know that they spread, but we didn't know if there was going to be anything general at all between these instruments," says Jerolmack. "Here, we found that by measuring only flow and aerosol concentration and counts, we can make predictions about how far aerosols will travel."

Music's flow

Based on their observations, the aerosols produced by these "mini-concerts" dissipated, settling into the flow of the background air draft, within about 2 meters, or 6 feet—reassuringly similar, the researchers say, to what has been measured for ordinary speaking or breathing. Only flute and trombone-generated aerosols traveled beyond that distance, for the flute perhaps because the air travels over the instrument instead of the instrument acting like a mask to prevent the spread of aerosols.

Overall, woodwind instruments emitted slightly lower concentrations of aerosols than brass instruments, perhaps because the wooden elements of the instrument absorbed some of the humidity and the numerous holes along the instrument may reduce the flow of some of the aerosols, the researchers speculate.

Because the measurements the researchers made were not connected to any specific quality of SARS-CoV-2, they can be used to extrapolate how transmission of other respiratory pathogens could be affected by making music.

"Now you have something to work with for potential future concerns, maybe an outbreak of influenza or something like that," says Arratia. "You can use our findings about flow, plug in your numbers about infectiousness and viral loads, and adapt it to understand risk.

"This was not exactly a problem that we work on routinely, but we felt compelled to take it on," he says. "It was a lot of fun, and we were lucky to have a problem to work on that made a meaningful difference during the difficult times of the pandemic." + Esplora ulteriormente

Brass, woodwind instruments emit respiratory particles, study finds