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疾病与药物研究

为什么流体动力学对COVID-19研究至关重要?

2020年07月23日 浏览量: 评论(0) 来源:生物谷 作者: 责任编辑:admin
摘要:了解液体如何流动有助于我们了解像COVID-19这样的病毒是如何在感染者之间传播的。

新冠肺炎使呼吸道传染病对人类的影响成为人们关注的焦点。它还表明,应对健康危机的最大防御手段是政府的政策,这一政策牢固地植根于科学。


为了遏制该疾病的蔓延,许多国家的政府实施了防止身体接触的政策。这对我们的日常生活有直接影响:人们的移动方式、工作地点以及彼此之间的互动方式都发生了变化。


这些政策是很好的第一步,但它们是有限的,因为它们没有充分说明病毒是如何通过物理途径在人与人之间传播的。一些答案可能存在于被称为流体力学的研究领域--理解流体是如何运动的。


了解液体如何流动有助于我们了解像COVID-19这样的病毒是如何在感染者之间传播的。这是因为当我们咳嗽或打喷嚏时,我们排出的微滴的运动受流体力学原理的控制。了解病毒的传播方式可以为公共卫生干预措施提供信息,以最大限度地降低风险。

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图片来源:https://cn.bing.com

最近对流体力学和流行病学相互作用的认识,已经开始至少使人们对COVID-19的物理传播途径有了一些了解。例如,最近的研究表明咳嗽或打喷嚏是由多相混沌气体云组成的。这种气体云将病毒病原体输送到比预期更远的地方。


越来越多的证据促使世界卫生组织(WHO)承认,冠状病毒可以通过悬浮在空气中的微小颗粒传播。


流体力学的研


流体力学是研究流体如何运动的学科。这听起来很简单,但实际上非常复杂。


首先,理解移动意味着什么是很重要的。物理学家艾萨克·牛顿爵士证明了一种叫做力的东西是改变物体运动方式所必需的。这个力必须作用在物体上,这个力的大小和方向是物体的质量和加速度的乘积。


加速度是指物体的速度随时间的变化(速度的变化率)。另外,物体的速度是指它在一定时间内所走的距离。因此,牛顿运动定律可以帮助我们预测物体是如何穿越时空的。这有助于我们计算物体在任何给定时间的位置。


我们可以把牛顿的运动定律应用于流体,试图解释流体是如何运动的。流体是一种物质,当一个力作用于它时,它的粒子会相对移动很多。


换句话说,流体的定义特性是流体易于变形。流体没有固定的形状。任何液体,比如水,都是一个很好的例子,但是我们周围的空气也可以被视为流体。液体和固体之间的界限并不是泾渭分明的,在某些情况下,固体如果冻、干漆和沥青会表现得像液体,反之亦然。


流体的一个重要特征是它们输送"物质";这些"东西"可能是热、污染物、病原体或其他液体。因此,流体力学的研究是理解我们生活的世界的基础。例如,流体力学可以帮助我们模拟和预测太阳的热量如何在世界各地传播(想想气候变化)。另一个例子是流体力学在传播呼吸系统疾病(如COVID-19)方面的应用。


将流体力学应用于COVID-19


最近的研究表明,我们目前对呼吸系统疾病的传播途径的理解是有限的,而且是基于一个过于简化的模型。流体力学和流行病学的最新发展表明,打喷嚏或咳嗽喷出的湍流气流将病原体输送到比预期更远的地方。


当我们呼吸、咳嗽或打喷嚏时,喷出的"烟泡"或"烟羽"的特征对于理解液滴是如何运输的很重要。

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图片来源:https://cn.bing.com

"喷气"内部的液滴会被与"喷气"或"羽流"相关的复杂气流模式及其与周围空气的相互作用所扭曲。这一过程可以将液滴分解成几块,然后从悬浮液中掉落,污染许多表面。当然,破碎过程也会产生比大颗粒运动更远的小颗粒。


流场、温度和湿度也会影响水滴的运动距离。这对世界卫生组织制定的1-2米(3-6英尺)身体距离指南有一定影响。研究表明,这些液滴可以飞行7米(20英尺)。这还没有考虑到由于建筑通风系统的存在,微小的水滴可以被运输到更远的地方。


在最近致世卫组织的一封公开信中,200多名科学家指责世卫组织低估了COVID-19通过空气传播的可能性。鉴于世界卫生组织最近的声明,这些指南可能会被修订。


流体力学的原理已经用于通风设计和职业健康;我们对流体力学和流行病学的新理解可能有助于改善建筑通风系统。我们所了解到的情况可能也会为政府政策提供参考,以减少未来COVID-19等大流行病的传播。


参考资料:


Why it's important to know how fluids move


The flow physics of COVID-19


Violent expiratory events: on coughing and sneezing


Coronavirus disease (COVID-19) advice for the public


It is Time to Address Airborne Transmission of COVID-19


on air-borne infection: study ii. droplets and droplet nuclei.

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