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第274話:洗手的流體力學

2021/08/30閱讀時間約 4 分鐘
把你的手洗得一閃一閃亮晶晶,變成滿手的 SHINING FINGERRRRRR!!!! 吧!(又是老梗?在本版沒超過四十年的都不算老梗)
俺のこの手が光って唸る…武漢ウイルスを倒せと輝き叫ぶ!砕け!必殺!シャァァイニング!フィンガァァァァ!!(來源:今川泰宏/SUNRISE)
從今年五月嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19、新型冠狀病毒病、武漢肺炎)本土疫情爆發以來,全國上下為了疫苗要打哪一支吵得不可開交。其實每一支疫苗都各自有優缺點跟副作用,反正政府也沒有規定非打哪一支不可,大家就挑自己喜歡的打吧!不過疫情瞬息萬變,來自印度的 Delta 變種一出來,又把全世界搞得雞飛狗跳,許多原本疫情已經因疫苗接種緩和下來的國家,又開始出現大量病例,研究也證實,台面上這些疫苗對抗Delta變種的保護力,都各有不同程度的下降。
這就是疫苗這種化學跟生物防疫方式的侷限啦!對抗變種病毒,還是要靠物理防疫!物理!物!理!
也就是「戴口罩、勤洗手」。聽起來不像什麼「mRNA」、「蛋白質次單元」這麼高深莫測,可是它就是有效,更重要的,不管病毒如何變種,反正擋在體外就好,根本沒差。
疫情開始以來,醫界與學術界對於口罩效能與機制的探討很多,不過在去年發表於「流體力學期刊」(Journal of Fluid Mechanics)的一篇回顧性的論文「COVID-19的流體物理」中提到:「令人驚訝的,在人類以洗手的方式來消毒的170年間,竟然沒有一篇研究論文探討『洗手的流體物理』。」我看到這句也嚇了一跳,可見值得研究、但是沒有人研究的問題還真多!而且就我們的生活周遭。
在英國劍橋經營顧問公司的Paul S. Hammond博士看到這篇文章,決定來把這個問題研究一下。我們的手表面粗糙不平,上面有許多微小的凹陷,就是藏污納垢之處,病毒也會藏身於此。真正的手部表面當然很複雜,Hammond博士利用簡化的流體力學模型來探討洗手的動力學:把兩隻手的表面簡化為兩個有規則波浪狀的表面,兩手中間有一個空隙,您可以想像成兩塊洗衣板上下疊在一起的樣子。兩塊洗衣板(兩手)之間的平均空隙是固定的,但是因為是波浪狀的表面,而且洗手時兩手來回搓動,所以兩個表面之間的距離在洗手過程中也會有所變化。
「流體函數」的模擬結果,上下兩個正弦波是兩隻手的表面,中間充滿了水(來源:Physics of Fluids)
兩手空隙間的水是「不可壓縮流體」,接著就是寫下流體力學方程式,然後用數值模擬裡面的「流體函數」(stream function,上圖),就可以知道水在兩手搓動時會怎麼流。圖中的流線方向代表水的流向,越密集的流線代表流速較快,我們可以看出大部分的水流是水平的(跟手掌方向平行)。假設手上有髒東西卡在下面那隻手的凹陷處,就得要靠那些垂直於下方手掌的水流把髒東西「帶上來」(紅色圈圈處)。由流場圖看起來,這種方向的水流並不太強。Hammond 進一步模擬一個顆粒放在下方表面時,被水流帶動的運動狀態,發現水流的確可以把顆粒帶走,不過並不是很快的過程,各位可以看到那個顆粒得在「山谷」(手掌表面的凹陷處)翻滾好一陣子,才能脫離。模擬的結果,大概得用力搓洗個 20 秒左右,與各國衛生單位的建議是類似的。要是搓洗的時間太短,顆粒是不會脫離的,洗手的效果也會大打折扣。
紅點為一開始髒東西的位置,藍線為洗手過程中的運動軌跡(來源:Physics of Fluids)
當然,水龍頭開大一點、搓用力一點,有助於把髒東西洗掉,模擬的結果跟這個常識一致。這個研究只限於用清水洗手的情境,至於加上洗手乳、酒精、乾洗手的,還有待研究。
這篇關於「如何洗手」的文章,發表於8月17日的「Physics of Fluids」,是「流體物理」,不是「可愛巧虎島」喔!
  • 超中二物理宅雜記
  • 等我征服世界就把流體力學列為全人類必修
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Physics of Fluids 論文(2021/08/17):https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0060307
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