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La respirabilidad de las mascarillas está indicada de forma algo antinatural

2020-06-07

Las mascarillas quirúrgicas están sometidas a ensayos de respirabilidad de acuerdo con la norma EN 14683:2019+AC:2019. De acuerdo con esta norma, la respirabilidad está medida en Pa ⁄ cm2, es decir, en presión por unidad de superficie. Esta medida es muy extraña. ¿A qué se debe esto?

Cómo podríamos definir la respirabilidad

Al respirar, los pulmones se contraen y se expanden. Esta expansión y contracción requiere un esfuerzo muscular: el esfuerzo respiratorio. La musculatura respiratoria ha de vencer el salto de presión entre el interior de los pulmones y el exterior del cuerpo, así que el esfuerzo respiratorio crece conforme aumenta la magnitud del salto de presión. Por lo tanto, podemos caracterizar el esfuerzo respiratorio mediante la magnitud de la diferencia de presión p entre el interior de los pulmones y el exterior.

Si se varía el caudal Q de aire respirado y se mantienen las demás condiciones constantes, el esfuerzo respiratorio varía: a más caudal, más esfuerzo requerido. El caudal satisface una necesidad fisiológica y el salto de presión es el esfuerzo necesario para satisfacer dicha necesidad. Una medida de la dificultad respiratoria puede ser, por lo tanto, el salto de presión dividido por el caudal de aire respirado:

p ⁄ Q.

Si el salto de presión es grande y el caudal respirado es pequeño, respirar es sin duda difícil.

La medida inversa, la facilidad respiratoria, podría ser el cociente del caudal respirado entre el salto de presión:

Q ⁄ ∆p.

Si se respira mucho caudal con poco salto de presión, respirar es fácil.

Respirar a través de una mascarilla puede ser en principio más difícil que respirar libremente. La presencia de la mascarilla obstaculiza el movimiento del aire y obliga a realizar un esfuerzo mayor que el normal al respirar. El aire que se filtra a través de la mascarilla experimenta una pérdida de presión que puede ser aproximada gracias a la ley de Darcy, que indica que el caudal respirado es proporcional al producto de la superficie A a través de la que se filtra el aire y el salto de presión:

Q = k A ∆p.

En esta ecuación, k es una constante que depende principalmente del material (su porosidad…) y la geometría detallada de la mascarilla (su espesor…), y, secundariamente, de otras cuestiones como la temperatura y la humedad del aire.

Una medida de facilidad respiratoria y, por lo tanto, de respirabilidad de una mascarilla, podría ser el cociente del caudal respirado (numerador) y el producto de la superficie a través de la que se filtra el aire y el salto de presión (denominador):

Q ⁄ (A ∆p) = k.

Un número elevado indicaría una mascarilla con buena respirabilidad en la que se consigue mucho caudal con poco salto de presión y poca superficie útil. Es interesante incluir la superficie en la medida, ya que permite estimar cómo varían los números con tallas diferentes antes de realizar ensayos empíricos de respirabilidad.

La superficie útil de la mascarilla es fija para una combinación de modelo de mascarilla y rostro del usuario. Si no interesa saber qué sucede con tamaños diferentes, otra medida adecuada de respirabilidad puede ser la anterior si se omite el factor de superficie:

Q ⁄ ∆p.

Qué dice la norma

El ensayo de respirabilidad consiste, de forma resumida, en interrumpir la sección transversal de un conducto con un recorte de la mascarilla mientras se fuerza cierto caudal de aire. Como la corriente ha de atravesar el recorte, se produce una pérdida de carga; la medida de respirabilidad es la pérdida de presión que se produce al pasar de aguas arriba del recorte a aguas abajo del recorte dividida entre la sección transversal del conducto. Con los símbolos anteriores, la respirabilidad que define la norma tiene la siguiente expresión:

p ⁄ A.

Las condiciones del aire son siempre las mismas, el caudal que hay que alcanzar es siempre el mismo y la sección transversal que hay que usar es siempre la misma, así que lo único que varía en función de la muestra de mascarilla es el salto de presión. Dar la presión diferencial divida por la sección transversal es, por lo tanto, equivalente a dar cualquier otro múltiplo cualquiera de la presión diferencial; como el factor multiplicativo es fijo, las medidas son comparables.

Dividir la presión diferencial entre la superficie no aporta nada. Como hemos visto anteriormente, la física hace que sea interesante, como mucho, el producto de la superficie y la presión, nunca el cociente de ambas magnitudes. Dar el cociente permitiría hacer trampas si fuera posible hacer ensayos con secciones de diferentes tamaños, pero la norma especifica una sección fija, afortunadamente, así que el cociente tiene el único efecto de expresar los resultados en unas unidades poco naturales.


Categorías: Física

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