第274話：洗手的流體力學

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）

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。

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。

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！

American Institute of Physics 新聞（2021/08/17）：https://publishing.aip.org/publications/latest-content/wash-your-hands-for-20-seconds-physics-shows-why/

Physics of Fluids 論文（2021/08/17）：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0060307