Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Гомогенизированное молоко демонстрирует определенный принцип, но его применение выходит далеко за пределы нашего дома. Когда вы чихнете, попытайтесь оценить размер капелек, разлетающихся из вашего рта по комнате. То же явление, которое не позволяет взойти сливкам, способствует распространению эпидемических заболеваний.

С давних времен туберкулез считался бичом человечества. Самое первое свидетельство о нем найдено в древних египетских мумиях (примерно 2400 год до н. э.). Гиппократу он был известен как «фтизис» (phthisis) (приблизительно 240 год до н. э.), а европейцы в Средние века знали его под названием «проклятие королей». Когда в результате промышленной революции многие начали перебираться из деревень в города, в 40-е годы XIX века «чахотка», болезнь городской бедноты, стала причиной четверти всех смертей в Англии и Уэльсе. Возбудитель болезни, крошечная бактерия под названием Mycobacterium tuberculosis, была обнаружена лишь в 1882 году. Чарльз Диккенс красочно описал чахоточный кашель, но не мог написать об одном из самых важных аспектов этого тяжелого недуга, поскольку не мог его увидеть. Туберкулез – болезнь, передающаяся воздушно-капельным путем. Каждый приступ кашля больного туберкулезом приводит к извержению из его легких тысяч мельчайших капелек, переносчиков смертельно опасного заболевания. Некоторые из них будут содержать микроскопические палочки туберкулезных бактерий, длина каждой из которых составляет лишь три тысячных миллиметра. Сами по себе капельки жидкости начинают свой полет с достаточно больших размеров – возможно, порядка десятых долей миллиметра. Эти капельки притягиваются вниз гравитацией и, упав на пол, не распространяют инфекцию дальше. Но падение не происходит быстро, поскольку вязкость присуща не только жидкостям. Воздух тоже ею обладает, и когда капельки движутся в воздухе, им приходится его расталкивать на своем пути. Устремляясь вниз, капельки наталкиваются на молекулы воздуха, которые замедляют скорость их падения. Точно так же как сливки медленно поднимаются к горлышку бутылки, преодолевая вязкость молока, эти капельки мокроты медленно опускаются, преодолевая вязкость воздуха, и падают на пол.

Впрочем, на пол падают не все капельки мокроты. Поскольку они состоят в основном из воды, в течение нескольких первых секунд пребывания в воздушной среде она испаряется. То, что вначале было каплей, достаточно крупной, чтобы гравитация могла пронести ее сквозь вязкий воздух, теперь становится микроскопической крапинкой – тенью бывшей себя. Если поначалу это была капелька мокроты, внутри которой плавала туберкулезная бактерия, то теперь она представляет собой туберкулезную бактерию, аккуратно упакованную в некий остаточный органический материал. Гравитационное притяжение этой новообразовавшейся микроскопической частицы не идет ни в какое сравнение с силой сопротивления воздуха. Куда движется воздух, туда и бактерия. Подобно искусственно измельченным капелькам жира в нынешнем гомогенизированном молоке, туберкулезная бактерия просто пассажир. И если она попадает в дыхательные пути человека с ослабленной иммунной системой, то может стать очагом зарождения новой колонии бактерий, медленно разрастающейся до тех пор, пока они не будут готовы к попаданию в воздух в составе мокроты, откашливаемой человеком, заразившимся туберкулезом.

Туберкулез поддается лечению при наличии надлежащих лекарств. Именно поэтому он редкий гость в западных странах. Но на данный момент туберкулез по-прежнему остается вторым по масштабам убийцей человечества после ВИЧ/СПИД, и это огромная проблема для развивающихся стран. В 2013 году туберкулезом заболели 9 миллионов человек, из них умерло 1,5 миллиона. Бактерии туберкулеза приспосабливаются к антибиотикам, приобретая устойчивость ко все новым и новым видам лекарств, из чего следует, что искоренить его с помощью только медицины невозможно. Появляется все большее число штаммов туберкулеза, устойчивых ко многим разновидностям лекарств. Вспышки заболевания время от времени возникают в больницах и учебных заведениях. Поэтому в последнее время внимание ученых переключилось на микроскопические капельки мокроты. Вместо того чтобы лечить туберкулез после того, как человек уже заболел, не подумать ли нам над устройством наших жилищ, чтобы предотвратить распространение болезнетворных бактерий туберкулеза и их попадание в дыхательные пути человека?

Профессор Кэт Ноукис работает на кафедре гражданского строительства в Лидском университете и пытается решить именно эту проблему. Кэт – сторонник поиска максимально простых решений любых проблем. Вместе с коллегами она пришла к выводу, что механизм перемещения микроскопических частиц, плавающих в воздухе, вовсе не зависит от их конкретного содержимого и от длительности пребывания в воздухе, а целиком определяется совокупностью воздействующих на них сил, а действие этих сил, в свою очередь, зависит от размера частиц. Оказалось, что даже более крупные капельки могут путешествовать в воздухе гораздо дальше, чем кто-либо предполагал, по причине турбулентности воздушной среды[28]. Самые крошечные частицы могут плавать в воздухе по нескольку суток, хотя ультрафиолет и синий свет повреждают их. Зная размер интересующих вас частиц, вы можете прикинуть, куда они способны добраться в ходе «путешествия». Следовательно, проектируя систему вентиляции в больнице, можно планировать удаление частиц определенных размеров или создание препятствий для их перемещения, контролируя таким образом распространение болезнетворных бактерий. Кэт объясняет, что каждый вид заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем, может требовать особого плана борьбы с ним в зависимости от количества болезнетворных бактерий, необходимого, чтобы человек заболел (в случае кори очень малого), и места возникновения в организме очага заболевания (бактерия туберкулеза по-разному воздействует на легкие и дыхательное горло). Сейчас эти исследования пребывают лишь в начальной стадии, но продвигаются очень быстро.

Долгие годы человечество было беззащитно перед туберкулезными бактериями, но сейчас мы имеем четкое представление о механизмах их распространения, что дает нам шанс обуздать эту опасную болезнь. Там, где наши предки видели лишь грязное помещение, полное таинственных миазмов, мы – силой своего воображения, вооруженного научным знанием, – видим движение воздуха вокруг каждого пациента и разнообразные перемещения (и их возможные последствия) тех или иных болезнетворных бактерий. Результаты этих исследований будут учитываться при проектировании будущих больниц. Надлежащее проектирование на макроуровне позволит нам спасти многие жизни, воздействуя на те или иные частицы на микроуровне.

Вязкость имеет значение при движении объектов малого размера через определенную жидкость: шарики жира поднимаются в молоке или крошечные болезнетворные бактерии опускаются в воздухе. Поверхностное натяжение, партнер вязкости в микромире, сказывается в месте соприкосновения двух разных текучих сред. В повседневной жизни мы наблюдаем это явление при соприкосновении воздуха с водной поверхностью. Типичный пример смешивания воздуха с водой – воздушный пузырек[29]. Итак, начнем с пенистой ванны.