O nouă descoperire despre transpirație dezvăluie limitele răcirii corpului
Scopul transpirației a fost un mister în 1775, când medicul englez Charles Brian Blagden și câțiva prieteni curioși au experimentat pe ei înșiși, petrecând timp în camere încălzite la peste 230° Fahrenheit.
În acele condiții, Blagden a observat cum corpurile umane rezistau la căldură. Temperaturile nucleului corpului rămâneau aproape constante, în timp ce transpirația curgea și se evapora.
De-a lungul celor 250 de ani, știința transpirației a evoluat semnificativ, dar, conform lui Konrad Rykaczewski, profesor asociat de inginerie la Arizona State University, multe aspecte rămân neexplorate. Într-un nou studiu, Rykaczewski și colegii săi au descoperit un proces fizic neobservat care poate schimba dramatic eficiența cu care transpirația răcește corpul în condiții de căldură, uscate și fără vânt.
„Se pare că impactul este uriaș”, a afirmat Rykaczewski. „Poate schimba cât de multă transpirație se evaporă de pe piele cu peste 50%.”
Înțelegerea mecanicii transpirației este esențială pentru a prezice corect stresul termic și eficiența răcirii în diferite situații. Această cunoaștere este folosită pentru a oferi recomandări lucrătorilor expuși la căldură și pentru a proiecta îmbrăcăminte de răcire și sisteme de gestionare a căldurii pentru primii respondenți, soldați și sportivi.
Cercetătorii de la ASU nu au supus pe nimeni la condiții asemănătoare cu cele din cuptoare în experimentele lor. În schimb, au utilizat un manechin personalizat, ANDI, echipat cu senzori pentru a măsura pierderile și câștigurile de căldură, acoperit cu pori care picură transpirație simulată în răspuns la creșterea căldurii.
Evaporarea transpirației în vapori de apă este ceea ce răcește corpul. Mișcarea aerului accelerează evaporarea și îmbunătățește răcirea. Cercetătorii de la ASU s-au concentrat asupra unui aspect neglijat al procesului de răcire: cum temperatura și umiditatea schimbă flotabilitatea aerului de lângă piele.
Când temperatura exterioară este mai mare decât cea a pielii, aerul foarte aproape de piele se răcește, devine mai dens și coboară. Dar când vremea este caldă și uscată, umiditatea din transpirația evaporată creează un curent ascendent, deoarece aerul umed este mai ușor decât aerul uscat.
Experimentele au arătat că la temperaturi de aproximativ 105° F, cu umiditate scăzută și fără vânt, curenții opuși de lângă piele pot anula complet unul pe altul, oprind fluxul de aer care ar putea ajuta la evaporarea transpirației. În absența vântului, acest fenomen duce la o creștere a stocării căldurii în corp și la creșteri semnificative ale temperaturilor pielii și nucleului. Modelele umane de echilibru termic utilizate frecvent nu iau în considerare acest lucru și vor subestima cât de cald devine corpul în medii calde, aride, cu puțin flux de aer.
Cercetătorii au măsurat impactul folosind modele de evaporare a transpirației combinate cu simulări ale corpului uman care lucrează pentru a-și controla temperatura. Neglijarea efectelor de flotabilitate generate de umiditate a dus la o subestimare a creșterii temperaturii nucleului corpului cu aproape 2° F pentru o persoană aflată în repaus în aer static după două ore de expunere la căldură.
„Acest lucru este cu adevărat important pentru mediile interioare sau locurile cu foarte puțină mișcare a aerului”, a spus Rykaczewski. „Gândiți-vă la un cort, sau la un loc de muncă parțial închis sau o clădire neterminată.”
Rykaczewski a publicat descoperirile în Science Advances pe 19 august, împreună cu autorul principal Shri Viswanathan și alți opt colegi de la ASU.
Efectul de flotabilitate competitiv este familiar inginerilor care lucrează la probleme de schimb de căldură în electronică, „dar a fost neglijat în ceea ce privește corpul uman”, a afirmat Rykaczewski. „Cred că motivul este că majoritatea celor care lucrează în acest domeniu nu provin dintr-un fond de inginerie. Arată cu adevărat beneficiul de a avea ingineri și fiziologi care colaborează în cercetare interdisciplinară.”
Proving cum se aplică efectul la corpurile umane care transpiră a fost o sarcină dificilă. Cercetătorii de la ASU au desfășurat zeci de experimente folosind ANDI, manechinul care transpira. Au dezvoltat un model computerizat al lui ANDI și au realizat aproximativ 100 de simulări de transpirație reprezentând o gamă largă de condiții.
„Există multiple căi de transfer de căldură implicate, așa că izolarea fiecărei căi, asigurându-ne că putem să o replicăm computațional și apoi să le combinăm toate într-un model a necesitat un efort imens”, a spus Rykaczewski.
Anul trecut, cercetătorii de la ASU au descoperit detalii ascunse despre cum transpirația se ridică și se răspândește pe piele. Aceste experimente au necesitat ca voluntarii să poarte un costum de corp căptușit cu tuburi care circulă apă caldă sau rece pentru a încălzi sau răci purtătorul. Cercetătorii au observat cum transpirația a saturat mai întâi stratul exterior al pielii, apoi s-a acumulat în piscine puțin adânci în jurul porilor și s-a răspândit într-un film subțire și conectat. După un prim val de evaporare a transpirației, a rămas un reziduu ușor de sare. Când voluntarii au fost încălziți din nou, acel reziduu a ajutat noua transpirație să se răspândească mai rapid pe suprafață, permițând formarea unui film fără etapa anterioară de acumulare.
Un film subțire poate expune mai multă transpirație la aer, ceea ce face evaporarea mai eficientă. Descoperirile sugerează, de asemenea, că transpirația ar putea avea comportamente diferite pe diferite părți ale corpului, unde densitatea părului, a glandelor sudoripare și structura pielii variază.
Întrebările legate de transpirație rămân multe fără răspuns. Echipa de la ASU explorează cum transpirația poate adera la corp și se poate evapora sau poate curge și picura înainte de a se evapora și cum acest lucru afectează răcirea corpului. Cercetătorii plănuiesc studii despre interacțiunile dintre piele, transpirație și textilele de îmbrăcăminte. Ei văd oportunități de a îmbunătăți designul îmbrăcămintei astfel încât să răcească oamenii mai eficient prin îmbunătățirea evaporării transpirației.
„Întrebarea mai mare este cum gestionezi acea transpirație și ce tipuri de materiale poți pune lângă piele pentru a optimiza răcirea”, a afirmat Rykaczewski.
În studii de teren desfășurate în Arizona, cercetătorii măsoară modul în care diferite populații experimentează și răspund la căldură extremă, folosind platform
