Испарения пота разжижают воздух у кожи, но препятствуют охлаждению

Испарения пота разжижают воздух у кожи, но препятствуют охлаждению

наука о потоотделении не глупое занятие, а понимание того, как потеют люди

потный манекен

Шри Х. Вишванатан (Shri H. Viswanathan), Анкит Джоши (Ankit Joshi), Изабелла ДеКлер (Isabella DeClair), Брайс Твидвелл (Bryce Twidwell), Мухаммад Абдулла (Muhammad Abdullah), Лайл Бартельс (Lyle Bartels), Файсал Абедин (Faisal Abedin), Джозеф Ротелла (Joseph Rotella), Сибин Т. Хосе (Cibin T. Jose), Конрад Рыкачевски (Konrad Rykaczewski), Университет штата Аризона, США, "Испарения пота разжижают воздух у кожи, но препятствуют испарительному охлаждению человека в условиях засушливой жары", "Научные достижения" (Science Advances), 12(34), 19 августа 2026.

Испарение пота является основным механизмом охлаждения организма, однако физические факторы, управляющие этим процессом, до конца не изучены. Мы выявили эффект «противоположной плавучести» в контексте человеческого тела, при котором пары пота уменьшают плотность воздуха у кожи, противодействуя нисходящему потоку, вызванному охлаждением теплого воздуха при контакте с кожей. В жарких, засушливых, застойных условиях эта противоположная плавучесть подавляет свободную конвекцию и может снизить испарение пота более чем вдвое. В результате широко используемые модели терморегуляции могут существенно занижать температуру тела (например, на 1C после 2 часов воздействия типичных летних условий Аризоны).

Мы разработали компактные, основанные на физических принципах модели коэффициентов теплопередачи при свободной конвекции в широком диапазоне температур и влажности, что позволяет улучшить моделирование терморегуляции и проводить тепловые аудиты. Эти результаты расширяют понимание теплового баланса человека и способствуют более точной оценке теплового стресса, что позволяет принимать обоснованные поведенческие, инфраструктурные и политические решения в области адаптации к экстремальным жарким условиям.

Профессор Конрад Рыкачевский, исследователь Анкит Джоши, тепловой манекен ANDI, ассистент-профессора Дженни Ванос и Ариан Миддел

Перегрев представляет собой растущую угрозу для здоровья и производительности человека. Испарение пота является основным путем охлаждения организма, однако мы покажем, что количественное понимание этого процесса в условиях свободной конвекции остается неполным. Этот пробел в знаниях следует исторической тенденции: понимание испарения пота и его ключевой роли в терморегуляции часто отставало от других научных достижений. Например, в 1912 году, когда Эйнштейн формулировал общую теорию относительности, португальский марафонец Франсиско Лазаро считал, что потоотделение ухудшает результаты и покрывает его тело воском и жиром, что привело к смертельному тепловому удару во время олимпийского забега.

Десять лет спустя Льюис представил классическую теорию, связывающую конвективный тепло- и массообмен, но потребовалось два десятилетия, чтобы ее можно было применить для оценки скорости испарения пота у человека. Предполагая, что пот представляет собой изотермическую пленку при температуре нижележащей кожи, что справедливо для низких и умеренных скоростей испарения примерно через 15 минут после начала потоотделения, аналогия Льюиса утверждает, что поток испарительного тепла может быть выражен через долю влажной кожи, коэффициент конвективной теплопередачи, соответствующий коэффициент испарительного массопереноса с единицами измерения, скорректированными с учетом разницы влажности, выраженной в терминах парциального давления водяного пара кожи, концентрация пара, универсальной газовой постоянной, и молекулярной массы воды и окружающего воздуха.

Для вынужденной конвекции эта прямая зависимость между коэффициентом конвективной теплопередачи и коэффициентом испарительного массопереноса может быть легко подтверждена с помощью теплового манекена в климатически контролируемой камере с аэродинамической трубой или ее цифрового двойника. В отличие от этого, мы покажем, что при свободной конвекции в условиях засушливой жары стандартные «учебные» модели коэффициентов теплопередачи, специфичных для человека, используемые на протяжении более семи десятилетий, существенно расходятся с экспериментальными наблюдениями.

Если вы потеете, не волнуйтесь; это естественная реакция, хотя и окутанная некоторой тайной.

Чтобы изучить механику нашей реакции на потоотделение, исследователи обратились к ANDI — специально разработанному манекену, оснащённому датчиками, измеряющими теплопотери и теплоприток, и порами, из которых имитируется пот. В ходе десятков экспериментов и 100 симуляций команда настраивала различные переменные, чтобы определить, почему потоотделение не всегда охлаждает.

Обнаружили, что плавучесть воздуха играет большую роль, изменяя количество испаряющегося с кожи пота более чем на 50%. Когда температура окружающей среды была выше, чем температура кожи ANDI, исследователи обнаружили, что воздух рядом с кожей охлаждался, становился плотнее и опускался вниз. Но если воздух был сухим, влажность от пота заставляла воздух подниматься (влажный воздух легче сухого). В сухих условиях при температуре около 30C эти противоположные силы взаимно компенсировались и препятствовали испарению пота, что, в свою очередь, поддерживало температуру в помещении ANDI на 1C выше.

Результаты показывают, что при температуре воздуха выше 30C плавучесть, обусловленная влажностью, может влиять на свободноконвективный теплообмен и испарение пота у человека аналогично плавучести, вызванной температурой. Эти две силы плавучести могут либо усиливать, либо противодействовать друг другу; однако уменьшение потока в противоположных условиях имеет более выраженные термофизиологические последствия. Например, в жарких (>37–38C) засушливых условиях с незначительным потоком воздуха конкурирующие силы плавучести, обусловленные температурой и влажностью, могут подавлять испарение пота до 56% (для воздуха 41C с 10%). В отсутствие фонового потока воздуха это явление приводит к заметному увеличению накопления тепла в организме и существенному повышению средней температуры кожи и тела.

Использование классических корреляций коэффициентов свободноконвективного теплообмена, основанных на разности температур, приводит к тому, что модели терморегуляции существенно недооценивают этот эффект. Как и ожидалось, уменьшение чистой плавучести снижает порог воздушного потока, при котором принудительная конвекция превосходит смешанную конвекцию. Однако, хотя смешанная конвекция смягчает термофизиологические последствия плавучести, вызванной влажностью, эти последствия остаются существенными и могут быть сопоставимы с последствиями, вызванными турбулентностью воздуха при принудительной конвекции. Соответственно, плавучесть, вызванная влажностью, должна учитываться при оценке рисков перегрева в помещениях и заболеваний, связанных с жарой, особенно для уязвимых групп населения, включая людей без доступа к кондиционерам и жителей неформального или самодельного жилья.

Предложенные модели свободной и смешанной конвекции, основанные на физических принципах, могут быть легко интегрированы в модели терморегуляции, системы теплового аудита и другие инструменты оценки теплового стресса. Улучшенная характеристика термофизиологических реакций человека в жарких условиях с использованием этих моделей может помочь в проектировании более устойчивых к жаре помещений, разработке стратегий снижения тепловой нагрузки и целенаправленных решений по охлаждению всего тела и локальному охлаждению, что потенциально может помочь предотвратить рост проблем со здоровьем, связанных с жарой в помещениях. Подавление испарения пота во время свободной конвекции в жарких, засушливых условиях также является дополнительным аргументом в пользу использования вентиляторов, возможно, в циклическом режиме включения/выключения в очень жарких условиях, когда постоянное принудительное конвективное тепловыделение превышает преимущества испарения. В целом, эти данные о физических процессах, контролирующих скорость испарения пота, имеют существенное значение для термофизиологических симуляций, которые могут помочь в принятии решений, влияющих на здоровье, безопасность и производительность человека в жарком, засушливом климате.

Наука о потоотделении — это не просто глупое занятие: понимание того, как потеют люди, помогает разрабатывать рекомендации для работников в жарких местах, а также проектировать одежду и системы терморегулирования для спортсменов и солдат. «Это довольно неприятная тема, но она также увлекательна», — сказал автор Конрад Рыкачевский. «Можно всю карьеру посвятить узкоспециализированным исследованиям, которые интересуют только 20 экспертов. Но не потоотделение, потому что потеют все».

27.08.2026