Vandballonfysik er videnskab med stor indflydelse

Vandballoner kan virke som en triviel sag. Et legetøj til frække børn om sommeren. Men for forskere, opførslen af ​​væskekugler indpakket i en tynd elastisk membran er afgørende for alt fra forståelse af blodlegemer til bekæmpelse af brande.

Ved hjælp af specialfremstillede luftkanoner og højhastighedsfotografering, Princeton -forskere har fastlagt de endelige fysiske regler for kapselpåvirkning, et forskningsområde, der var gået stort set uudforsket indtil nu. Resultaterne, udgivet 16. marts i Naturfysik , afsløre et overraskende forhold mellem kapslernes adfærd og vanddråber. Hvor kapsler holdes sammen af ​​en membrans spænding, vanddråber holdes sammen af ​​en kraft kaldet overfladespænding. Forskerne brugte denne forbindelse til at tilpasse den velforståede matematik, der beskriver vanddråber til ingeniørproblemer relateret til kapsler.

"Det mest overraskende er, at virkningen ligner meget en dråbe, "sagde Etienne Jambon-Puillet, en postdoktor og undersøgelsens første forfatter. "De fleste mennesker, der studerer kapsler, anvender komplekse numeriske simuleringer for at modellere deres deformation, hvor vi her har udledt en simpel model, noget, der er let at forstå. "

Under sin ph.d. forskning ved Sorbonne University, Jambon-Puillet studerede opførsel af vanddråber dækket med små perler. På udkig efter en enklere måde at forstå det komplicerede problem foran ham, han kiggede på litteraturen for at finde en model for, hvordan elastiske kapsler fungerer. Men han kom tom op. Forvirret og fascineret, han blev tvunget til at lægge kapselspørgsmålet til side i et par år og gå videre til andre problemer.

Da han sluttede sig til Pierre-Thomas Brun's Liquids and Elasticity Laboratory i Princeton, han så den perfekte mulighed for at vende tilbage til det spørgsmål fra sit gymnasium. Når en vandballon rammer en overflade, hvad sker der med den elastiske skal?

"Undersøgelsen giver virkelig mening i den bredere kontekst af væskemekanik, "sagde Brun, en adjunkt i kemisk og biologisk teknik og papirets seniorforfatter. "Folk har i årtier ødelagt deres hjerner og studeret faldpåvirkning, og på en eller anden måde fandt Etienne ud af, at der var dette lille puslespil, der var helt uberørt. "

For at kontrollere eksperimentets parametre, holdet specialfremstillede elastiske kapsler på størrelse med en tyggegummi. De fyldte derefter dem til præcis kapacitet - uden at strække dem - og smadrede ballonerne mod en væg i omkring 100 miles i timen ved hjælp af en lille luftkanon. Med kameraet rullende på 20, 000 billeder i sekundet, forskerne var i stand til at foretage fine målinger af den tynde skal, da den påvirkede. De gentog forsøget med to forskellige slags væsker, glycerol og honning, for at se, hvordan dynamikken ændrede sig med større viskositet. Igen, analogien til flydende dråber holdt.

Holdet vendte sig derefter til kommercielle vandballoner for at se, hvad der sker, når en elastisk skal strækkes med væske, den måde, vi typisk tænker på at fylde balloner med vand. Ikke så fuld, at du ikke kan smide den, men fuld nok til at sprænge ved stød, i blød en intetanende ven. (Om den ven forbliver venlig er en anden historie). Det viser sig, at der er en kritisk værdi, ved hvilken en ballon, der rejser med en given hastighed, skal strækkes, for at den kan briste. Enhver, der nogensinde har kastet en dud, ser det hoppe af et blivende offer og ruller desværre væk, kender betydningen af ​​denne kritiske værdi. Du har enten brug for at fylde det mere eller kaste det hårdere.

Ligesom vi andre, når det kommer til vandballoner og deres lignende, ingeniører har flyvet blinde, ifølge Brun. Disse kritiske værdier var aldrig blevet formaliseret.

En række teknologier er afhængige af lignende væskefyldte kapsler, og efterhånden som bioingeniørindsatsen bliver mere og mere sofistikeret, det antal teknologier vil helt sikkert vokse. Maven, blæren, lungerne, blodlegemer - mange organer og essentielle biologiske funktioner er afhængige af så tynde, udvidelige væskefyldte kamre.

Brun og hans team har givet forskere en matematisk ramme for at forstå, hvordan disse objekter deformeres med påvirkning. Og for ingeniørerne, der arbejder med disse problemer, den bedste del er, at rammen allerede er bekendt. Det gemte sig bare for almindeligt syn.

"Modellen er ret enkel, "Sagde Brun." Men det er det, der er smukt ved det. "