Писсуары без брызг для глобальной устойчивости и доступности

проектирование с использованием физики и дифференциальных уравнений

Кавишан Турайраджа (Kaveeshan Thurairajah), Сяньюй (Мэйбл) Сонг (Xianyu (Mabel) Song), Джей Ди Чжу (J D Zhu), Миа Ши (Mia Shi), Чжао Пан (Zhao Pan), Университет Ватерлоо, Канада, Итан А. Барлоу (Ethan A Barlow), Рэнди Си Херд (Randy C Hurd), Государственный университет Вебера, США, "Писсуары без брызг для глобальной устойчивости и доступности: проектирование с использованием физики и дифференциальных уравнений", PNAS Nexus, 4(4), апрель 2025.

Современные писсуары появились в 19 веке для обслуживания промышленных рабочих в Европе. Только в Париже в 1900-х годах их было более 1000. С тех пор они мало изменились. Брызги - капли мочи на полу или на пользователе, возникающие при разбрызгивании на поверхности писсуара, остаются значительной проблемой и способствуют антисанитарным и неприятным условиям в общественных туалетах.

Хотя моча в основном стерильна, она является плодородной средой для размножения бактерий и способствует появлению неприятных запахов. Аэрозольные капли могут распространяться далеко, покрывая большие площади пола. При наличии около 56 миллионов писсуаров в нежилых помещениях только в США, на пол ежедневно выплескивается более 0,35х10^6 л, что составляет порядка 1 миллиона литра мочи. Разбрызгивание мочи также представляет значительный риск для здоровья посетителей туалета. Поверхности писсуаров имеют значительно более высокую концентрацию бактерий, чем традиционные туалеты, причем окружающие полы имеют самый высокий уровень. Уровни аммиака на полу вокруг писсуара примерно в 100 раз выше, чем в любой области около традиционного туалета, что указывает на значительное разбрызгивание и обеспечивает идеальную среду для бактериальных колоний.

Брызги писсуаров также создают постоянную потребность в уборке, которая требует от уборщиков регулярно убирать дурно пахнущие человеческие отходы и неоднократно дезинфицировать пораженные поверхности. Были предприняты ограниченные попытки борьбы с разбрызгиванием. Разработаны экраны и коврики для писсуаров, чтобы попытаться смягчить эту проблему. Некоторые такие модели размещаются внутри писсуара, а другие на полу - просто улавливая, а не предотвращая разбрызгивание. В аэропорту Амстердама Схипхол использование наклеек от мух для изменения поведения прицеливания привело, как сообщается, к 50–80%-ному сокращению (но не полному устранению) наблюдаемого разбрызгивания и 8%-ному сокращению расходов на уборку.

Чтобы устранить последствия разбрызгивания мочи для гигиены, потребления воды и человеческого труда, авторы разработали альтернативные писсуары, которые исключают разбрызгивание. Результаты показывают, что такие конструкции писсуаров снижают образование и распространение спутниковых капель из входящего потока по сравнению с существующими писсуарами.

Создание профилей писсуара

Цель состоит в том, чтобы спроектировать кривую(ые), поверхностей писсуара, что может быть смоделировано обыкновенным дифференциальным уравнением и решением является классическая логарифмическая спираль.

Анализ угла падения

Для создания карт угла падения, писсуары смоделированы как трехмерная поверхность, состоящая из треугольных граней. Потоки мочи смоделированы параболами, начинающимися на выходе из уретры и заканчивающимися в центре каждой грани. Параболы начинаются горизонтально. Измерялся угол между касательной параболы и нормальным вектором поверхности. Это повторялось для всех граней, составляющих внутреннюю поверхность писсуара, чтобы создать карту углов.

Тестирование критического угла

Критический угол измерялся экспериментально путем количественного определения массовой доли воды, которая разбрызгивалась при ударе стеклянным диском. Аппарат для имитации мочеиспускания настроен с использованием напечатанного на 3D-принтере сопла с анатомически точной геометрией уретры, насоса, расходомера, сумматора потока и клапанов. Сопло ориентировано вертикально вниз над стеклянным диском. Угол диска относительно падающего потока регулировался для изменения угла падения.

Высота сопла над диском изменялась в соответствии с условиями испытания в контексте мочеиспускания человека. Испытаны 3 скорости потока 0,4, 0,7 и 1,9 л/мин (низкий, средний и высокий поток) вместе с 3 высотами сопла 184, 154 и 933 мм (низкая, средняя и высокая), что позволяет использовать диапазон условий от самого низкого потока и самой медленной струи до самых экстремальных условий, ожидаемых при мочеиспускании. При наличии достаточного времени струя распадется на капли из-за нестабильности Рэлея-Плато. Средние диаметры капель измерялись с помощью серии фотографий и варьировались от 4,4 мм до 7,2 мм. Числа Вебера, связанные с этими средними диаметрами капель, варьировались от 340 до 1400.

Диск имел диаметр 10 см и сам был помещен в ведро с внутренним диаметром 18,5 см. Брызги снаружи ведра собирались бумажным полотенцем, а масса измерялась до и после каждого испытания. Относительная влажность поддерживалась выше 60%, чтобы капли не высыхали в ходе испытания. Сумматор потока автоматически подсчитывал объемный расход и использовался для определения объема воды, использованной в каждом испытании.

Разработка теоретической модели

При ударе о поверхность капля образует ламеллу, которая движется радиально наружу; ламелла испытывает аэродинамический подъем и затем всплеск. Предположили, что по мере того, как для большего выброса требуется большая подъемная сила, объем всплеска масштабируется до избыточной подъемной силы над порогом. Фракция всплеска масштабируется со средней избыточной подъемной силой и выражается интегралом. Используя критические значения для нормального удара получили уравнение, которое дает прогноз нормализованного отношения брызг.

Производство писсуаров

Писсуары для испытаний подготовлены путем формования пены высокой плотности с использованием фрезерного станка с числовым программным управлением. Установка для обработки была высокоточной для внутренней поверхности писсуара, однако ограничена в эффективном изготовлении внешних поверхностей. Пена покрыта эпоксидной смолой перед шлифовкой, покраской и вощением для обеспечения гладкой водонепроницаемой поверхности. Этот метод использовался для подготовки всех писсуаров, используемых в испытаниях, за исключением современного коммерческого писсуара из глазурованной керамики, который куплен готовым .

Количественная оценка брызг

Писсуары оценивались с помощью того же аппарата для мочеиспускания, состоящего из анатомически точного сопла, напечатанного на 3D-принтере, одинакового для всех испытаний, который использовался при испытании критического угла. Писсуары установлены в соответствии со стандартами ASME, а сопло располагалось горизонтально на различных высотах. Единственным исключением было условие большой высоты для писсуара Cornucopia, где сопло наклонено вниз под углом, чтобы гарантировать, что струя мочи попадает в писсуар, а не переливается через край.

Разбрызганные капли измерялись бумажным полотенцем, подвешенным с помощью зажимов к стальной проволочной раме, охватывающей писсуар. Бумажное полотенце взвешивалось, а относительная влажность регулировалась так же, как и при испытании критического угла. Все испытания проводились с номинальным объемом воды 1 л. Протестировано 5 условий. 3 из них на средней высоте внутреннего шва (ширинка) для американского мужчины (86,6 см) со стандартной установкой писсуаров и теми же расходами, что и в разделе «Тестирование критического угла». 2 условия проведены при 93,3 и 79,6 см, что соответствует и процентильной высоте внутреннего шва, оба при среднем расходе (0,7 л/мин).

Визуализация брызг

Создана с помощью того же аппарата для мочеиспускания, но с окрашенной водой. Сопло установлено на средней высоте и настроено на высокую скорость потока. Номинальный объем «мочевой» воды составлял 1,0 л. Брызги пойманы на большой кусок слегка впитывающей «крафт» бумаги и оставлены для высыхания перед тем, как бумага была отснята. Изображения подвергнуты постобработке путем порогового значения RGB для рисунков брызг и отделения их от фона с помощью псевдоцвета. Сидячие капли известного объема помещены на идентичную бумагу и отсняты для обеспечения эталонной шкалы.

Результаты

Критический угол падения без брызг

Угол падения можно контролировать, чтобы уменьшить или устранить брызги. Исследования показывают, что всплеск не происходит, когда угол падения падает ниже определенного критического порога. Модель предсказывает, что при 30 градусах всплеск уменьшается примерно на 95% от максимального. Это подразумевает возможность проектирования геометрии писсуара таким образом, чтобы угол падения всегда был равен или ниже этого критического угла; следовательно, исключая брызги независимо от факторов, зависящих от пользователя.

Чтобы проверить теоретическую модель и найти критический угол, релевантный для мочеиспускания человека, измерили брызги, создаваемые струей воды из анатомически точного сопла над наклонной стеклянной пластиной, и изменили угол наклона пластины от 20 до 90, измеренный от падающего потока. Экспериментально измеренное нормализованное отношение брызг дает хорошее согласие с теоретической моделью. Профиль чаши писсуара, разработанный путем решения дифференциальных уравнений

Подход к проектированию писсуара без разбрызгивания требует, чтобы трехмерный поток падал на поверхность писсуара под критическим углом или ниже. Эту сложную трехмерную задачу можно упростить, потребовав вместо этого, чтобы двухмерная проекция потока мочи падала под критическим углом: 30.

Поток представляет собой семейство параболических кривых, изменяющихся в ходе мочеиспускания по мере падения давления в мочевом пузыре. Полученные кривые напоминают поперечное сечение рога изобилия. Вращение этих кривых вокруг оси z создает трехмерную внутреннюю поверхность одной конструкции писсуара, которую исследовательская группа назвала «Рогом изобилия» (Cornucopia).
Писсуары без брызг

Задача изогональной кривой в проекции вида сверху создает логарифмические спирали - ту же самую кривую, которая присутствует в раковине моллюска наутилуса (Nautilus). Выдавливая эту кривую, можно спроектировать трехмерный профиль поверхности писсуара и назвать его «Наутилус». Углы падения отображены на поверхностях писсуара как для существующих, так и для новых разработанных моделей, предполагая, что пользователь имеет среднюю высоту мужского внутреннего шва и типичную установку. Новые конструкции, Cornucopia и Nautilus, имеют углы падения на уровне или ниже 30 по всей площади.

Экспериментальная проверка

Качественные тесты: модель разбрызгивания

Оба новых дизайна работают хорошо, практически без наблюдаемых брызг по сравнению с современным коммерческим писсуаром. Существующие конструкции разбрызгивают воду на большие расстояния, при этом капли разлетаются на расстояние до 0,5 м в обе стороны.

Количественные тесты: коэффициент разбрызгивания

Основываясь на качественных результатах, получены количественные данные путем измерения массовой доли разбрызгиваемой воды в результате «мочеиспускания» из вышеупомянутого устройства для мочеиспускания. Коэффициент разбрызгивания использовался для оценки производительности различных писсуаров. Наблюдается значительное снижение разбрызгивания. Новые конструкции писсуаров последовательно превосходят современный коммерческий писсуар. В то время как существующие конструкции показывают скачки разбрызгивания при определенных условиях, новые конструкции имеют постоянно низкие показатели.

Примечательно, что наименьшее улучшение наблюдается при условиях испытания со средним потоком и средней высотой, при этом конструкция Nautilus снижает на 24%. Однако, хотя снижение менее впечатляющее по сравнению с другими условиями испытаний, это условие в целом обеспечивает низкий уровень брызг. Современная коммерческая конструкция плохо работает в условиях низкого или высокого расхода, отражая области с высоким углом. При этих условиях с высоким уровнем брызг тот же писсуар Nautilus достигает 85% и 95% снижения брызг, соответственно; уменьшая брызги там, где они возникают больше всего. Эффективность писсуара Cornucopia в подавлении брызг еще выше.

Анализ конструкций

Обе новые конструкции писсуаров достигают значительного снижения брызг, с данными о массе брызг, схемами брызг и визуализацией угла падения, все они показывают стабильно низкий уровень брызг при различных условиях мочеиспускания. Конструкция Nautilus оказывается идеальным выбором из-за следующих факторов. Во-первых, обычные писсуары подвержены дилемме установки. Если они установлены на типичной высоте, они не доступны для людей с низким ростом, включая детей; в то время как если они установлены на более низкой высоте для решения проблемы доступности, они становятся неудобными для большинства людей (взрослых) и создают больше брызг из-за большего расстояния падения и, следовательно, более высокой скорости удара. Низкий бортик Nautilus от 430 мм до 140 мм доступен для пользователей любого роста (даже в инвалидной коляске), а конструкция превосходит стандарты доступности, которые требуют, чтобы бортик находился на высоте не более 430 мм от пола. Кроме того, большая открытая область позволяет значительно облегчить уборку, что является практическим аспектом дизайна, который нельзя упускать из виду.

Nautilus допускает плохое прицеливание и, таким образом, может оказаться полезным на самолетах и лодках, где устойчивость не может считаться само собой разумеющейся. Cornucopia - это математически идеальная конструкция, рассчитанная на пользователя определенного роста, но, как и многие существующие писсуары, чувствительна к росту пользователя, и поэтому подходит не всем.

17.04.2025

Комментарий:

Шнобелевская премия - 1999 - мир

Шарль Фурье, Мишель Вонг придумали противоугонную систему - горелку. Основной компонент - баллон с газом, к которому подводится система трубок. Газовый баллон устанавливают в багажник. Система трубок - под днищем автомобиля, а рабочие концы - под дверцами
подробнее

Шнобелевская премия 2023 в области здравоохранения

Умный туалет работает автономно. Использует датчики давления/движения, анализирует мочу пользователя, рассчитывает скорость потока и объем мочи, классифицирует стул, в соответствии с Бристольской шкалой форм стула, сравним с работой медицинского персонала
подробнее

Источник - пресса

Шнобель Процедура Пресса Анналы Архив Статьи Шнобелист