Las técnicas de Schlieren demuestran patrones de propagación del aire exhalado por instrumentos de viento y cantantes


La propagación de patógenos en el aire ha adquirido una gran importancia en el ojo público tras el inicio de la enfermedad por coronavirus 2019 (pandemia COVID-19). En un interesante nuevo artículo de investigación publicado recientemente sobre bioRxiv* servidor de preimpresión, los científicos describen la dispersión del aire exhalado, potencialmente infectado, de los cantantes y los que tocan instrumentos de viento, utilizando técnicas de Schlieren, un proceso visual que se utiliza para fotografiar el flujo de fluidos de densidad variable. Esto podría ayudar a evaluar las medidas para evaluar la propagación real de gotitas o aerosoles infecciosos en tales situaciones.

Estudio: La propagación del aire respirable de los instrumentos de viento y los cantantes utilizando técnicas de Schlieren.  Haber de imagen: Robert J. Bradshaw / Shutterstock

Ahora se sabe que tanto las gotas como los aerosoles, con un tamaño de> 5 µm y <5 µm, respectivamente, portan el síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2), pueden extenderse hacia el exterior dependiendo de su tamaño. Las gotas más pesadas, de aproximadamente 100 µm de tamaño, viajan solo unos segundos antes de caer al suelo, alcanzando aproximadamente 1,5 m de la fuente. Sin embargo, las partículas más pequeñas de los aerosoles pueden permanecer suspendidas en el aire durante mucho más tiempo.

Anteriormente, varios estudios han concluido que la propagación de tales partículas es casi nula a 0,5 m de la boca de un cantante profesional, como lo indica la presencia de perturbaciones mínimas observadas en la llama de una vela colocada a esta distancia de la fuente de aire exhalado. . Más tarde, se observó que la exhalación de aire es mucho más fuerte durante el canto profesional que durante el habla o la respiración.

Con los instrumentos de viento, el patrón de escape de aire es similar al del canto, y la distancia de propagación está determinada por la velocidad a la que el aire escapa de la boca o del instrumento y el diámetro de salida.

El estudio actual aplica técnicas de visualización de flujo y anemometría para investigar la dispersión del aire exhalado en términos del patrón de propagación y la velocidad a la que escapa el aire. Los científicos utilizaron dos métodos para observar el flujo, a saber, imágenes schlieren utilizando un espejo schlieren y schlieren orientado al fondo (BOS).

Schlieren se refiere a un método de fotografía aplicado a la visualización de flujos de densidad variable aprovechando la curvatura o refracción de los rayos de luz cuando atraviesan una interfaz que separa dos sustancias de densidades diferentes.

Las ventajas de estas técnicas son la capacidad de observar gradientes de densidad en medios transparentes, debido a variaciones de temperatura o presión, sin distorsionar el campo de flujo. El campo de medición de las imágenes schlieren está restringido por el tamaño del espejo, es decir, 100 cm. Para visualizar correctamente la propagación del aire exhalado más allá de estos límites, se utilizó BOS.

El aire respirable es más cálido y húmedo que el aire circundante, lo que genera gradientes que pueden capturarse con estas técnicas. Los investigadores observaron los instrumentos de viento de madera, que liberan aire en un patrón laminar inicial seguido de turbulencia y finalmente se mezclan con el aire de la habitación circundante. Con los cantantes, el aire se esparce más a medida que comienza la producción del tono y es más alto cuando se cantan consonantes o cuando se requiere una articulación precisa.

Los investigadores observan que tanto la distancia a la que se extiende el aire exhalado como el ángulo en el que escapa el aire son diferentes con el instrumento y el intérprete o cantante.

Configuración del sistema schlieren coincidente de espejo único (izquierda) y el sistema BOS (derecha) en el Departamento de Física de la Construcción de la Universidad Bauhaus de Weimar

Configuración del sistema schlieren coincidente de espejo único (izquierda) y el sistema BOS (derecha) en el Departamento de Física de la Construcción de la Universidad Bauhaus de Weimar

Instrumentos de viento madera

Con los instrumentos de viento de madera, el aire se escapa de la campana, los agujeros de tono, y se sopla (flautas) o se filtra cerca de la boquilla (con el oboe o fagot). Tocar el oboe o el fagot también requiere una exhalación intermitente a través de la boca y la nariz, ya que todo el aire no puede escapar por los agujeros de tono. El aire viaja más rápido cuando se utilizan tonos altos, pero también durante la exhalación intermitente. Con este último, la velocidad disminuye de manera constante a partir de entonces.

También puede ocurrir flujo convectivo, lo que representa movimientos de aire de aproximadamente 0.02 m / sa 85 cm de distancia de la campana. Este es el sensor más lejano. Con el sensor más proximal, la velocidad más alta se observa a los 45 segundos, correspondiente a chorros muy transitorios producidos por grandes emisiones de aire respirable.

El aire se escapa de la campana a distancias mucho más cortas en relación con el aire que se escapa del instrumento en varios puntos, o durante el soplo intermitente y otras prácticas de producción de sonido. Las fugas de aire pueden viajar unos 60 cm dentro de la habitación debido a la exhalación intermitente de aire por la boca y la nariz entre dos frases. Sin embargo, se mueve dentro de los 30 cm al tocar varias notas. En los tonos altos, el aire apenas se escapa de la campana del fagot, mientras que la mayor velocidad del flujo de aire de la campana es en las notas bajas. Dado que la mayoría de los agujeros de tono se descubren en notas altas, estos producen un flujo de aire máximo desde estos agujeros.

El aire que escapa de la campana recorre diferentes distancias dependiendo del ancho del orificio y la presión respiratoria en el momento de tocar.

Instrumentos de latón

Con los instrumentos de metal, las imágenes de Schlieren muestran que con la mayoría de estos instrumentos, el aire que escapa de la campana es muy turbulento debido al mayor diámetro de la campana. El aire que entra por la boquilla entra en la campana.

El aire respirable sube debido a la convección natural o se mezcla con el aire de la habitación. Los factores que deciden la forma y la distancia del aire que se escapa de la campana incluyen el físico y la técnica de soplado del músico y el ángulo del instrumento con la boca. Las distancias se midieron desde la campana, la boca o la boquilla. El aire respirable sale de la campana a unos 25 cm en los tonos bajos y un poco más en los tonos altos. El aire puede escaparse de la boquilla cuando los labios del intérprete se cansan, cuando toca staccato o cuando los músicos no están entrenados o son mayores.

Con el uso de la compuerta, el escape de aire se reduce sustancialmente, excepto con la tuba F y la trompa cuando se usa un silencio de parada.

Los hallazgos de la anemometría confirmaron los resultados de las visualizaciones de Schlieren, mostrando que los valores de flujo siempre están por encima de aproximadamente 0,02 m / s. Las razones pueden incluir movimientos de dedos o manos durante la interpretación, escape de aire de los agujeros de tono, respirar entre frases musicales u otros flujos de aire de convección en la misma habitación. Con algunos instrumentos, la velocidad medida primero disminuye a medida que aumenta la distancia desde el instrumento y luego comienza a aumentar. Este efecto puede deberse a un flujo turbulento, que produce pequeños vórtices que dan como resultado una velocidad variable.

Para reducir ese flujo de todo tipo de instrumentos de viento metal, los investigadores dijeron que se podría usar un filtro simple, hecho de celulosa, y pegado a la campana del instrumento. Esto funcionará porque el aire que se respira a través de dichos instrumentos escapa completamente a través de la campana.

En los instrumentos de viento de madera, el aire se escapa por los orificios del tono e incluso se filtra por la boquilla, además de la campana. Por lo tanto, un filtro no obstaculizará la propagación del aire.

¿Cuáles son las implicaciones?

Estos datos podrían ayudar a descubrir el rango al cual el aire exhalado, que potencialmente contiene partículas infecciosas, podría propagarse durante los brotes de enfermedades infecciosas transmitidas por el aire. Sin embargo, los estudios solo muestran el rango de dispersión de las gotas más grandes, ya que las gotas pequeñas o los aerosoles no se visualizan con los métodos de Schlieren. Estos resultados muestran que el flujo de aire no viaja más de 1,2 m dentro de la habitación.

En segundo lugar, estos patrones se relacionan con el aire expulsado por cantantes y músicos capacitados profesionalmente. Los aficionados y los estudiantes pueden producir patrones de exhalación y fugas muy diferentes, lo que puede resultar en un mayor volumen de aire que se esparce por la habitación.

El movimiento del jugador también puede cambiar la velocidad del aire respirable, que también varía con el diámetro de la campana y la presión respiratoria. El aire que sale de la boca o que se escapa por la boquilla muestra una velocidad más alta de hasta 0,15 m / s.

Con estos datos, el rango de propagación, las dimensiones del aire que escapa y la velocidad a la que se escapa y se propaga, se pueden estimar para instrumentos de viento de madera y metal y cantantes profesionales. Esto ayudaría a cuantificar el riesgo de transmisión viral durante tales actuaciones a fin de desarrollar las mejores precauciones de seguridad para tales situaciones.

*Noticia importante

medRxiv publica informes científicos preliminares que no son revisados ​​por pares y, por lo tanto, no deben considerarse concluyentes, guiar la práctica clínica / comportamiento relacionado con la salud o tratarse como información establecida.

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