普林斯顿大学 水球的冲击，通过空气炮射向墙壁，并通过高速摄影捕捉，揭示了一系列工程问题的新物理学，从理解血细胞到灭火
图片由研究人员提供 水球似乎是一件小事
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但是对于科学家来说，包裹在薄弹性膜中的液体球的行为对从理解血细胞到灭火的一切都至关重要
普林斯顿大学的研究人员使用定制的空气炮和高速摄影技术，建立了管理太空舱撞击的明确物理规则，这个研究领域迄今为止几乎没有被探索过
该结果发表在3月16日的《自然物理学》杂志上，揭示了胶囊行为和水滴之间惊人的关系
胶囊通过薄膜的张力结合在一起，水滴通过一种叫做表面张力的力结合在一起
研究人员利用这种联系，将描述水滴的众所周知的数学方法应用于与胶囊相关的工程问题
“最令人惊讶的是，这种影响看起来很像是下降，”博士后研究员、该研究的第一作者艾蒂安·占本-普伊莱特说
“大多数研究胶囊的人求助于复杂的数值模拟来模拟它们的变形，在这里我们得到了一个简单的模型，很容易理解
" 在他的博士期间
D
位于Jambon-Puillet的索邦大学的研究人员正在研究被小珠子覆盖的水滴的行为
为了寻找一种更简单的方法来理解摆在他面前的复杂问题，他查阅了文献，为弹性胶囊的工作原理找到了一个模型
但他空手而归
出于困惑和好奇，他被迫将胶囊问题搁置了几年，转而讨论其他问题
当他加入普林斯顿的皮埃尔-托马斯·布伦液体和弹性实验室时，他看到了从他的研究生院工作回到这个问题的绝佳机会
水球撞击一个表面，弹性壳会发生什么变化？ “这项研究在更广泛的流体力学背景下确实有意义，”化学和生物工程助理教授、该论文的资深作者布伦说
“几十年来，人们一直在绞尽脑汁研究跌落冲击，不知何故，艾蒂安发现有一个小难题完全没有被触及
" 为了控制实验的参数，该团队定制了大约一颗口香糖大小的弹性胶囊
然后，他们将气球装满至准确的容量——不拉伸它们——并用小型空气炮以大约每小时100英里的速度将气球撞向墙壁
随着相机以每秒20，000帧的速度滚动，研究人员能够在薄壳撞击时对其进行精细测量
他们用甘油和蜂蜜这两种不同的液体重复了这个实验，以观察在更大的粘度下动力学是如何变化的
同样，对液滴的类比成立
然后，研究小组转向商业水球，看看当弹性外壳被流体拉伸时会发生什么，这是我们通常认为的向气球充水的方式
没有满到你扔不出去的程度，但是满到足以在撞击时爆裂，淹没一个毫无防备的朋友
(那个朋友是否保持友好是另一回事)
事实证明，存在一个临界值，在这个临界值上，以给定速度行进的气球必须被拉伸才能破裂
任何曾经扔过哑弹的人，看着它从一个潜在的受害者身上弹开，然后悲伤地滚走，都知道这个临界值的重要性
你要么需要加满它，要么扔得更狠
布鲁恩说，就像我们其他人一样，当谈到水球和它们的同类时，工程师们一直在盲目飞行
这些关键价值从未被正式确定下来
一系列技术依赖于类似的充液胶囊，随着生物工程的努力变得越来越复杂，技术的数量肯定会增加
胃、膀胱、肺、血细胞——许多器官和基本的生物功能依赖于这种薄而可膨胀的充满液体的腔室
布鲁恩和他的团队给研究人员提供了一个数学框架来理解这些物体是如何随着撞击而变形的
对于研究这些问题的工程师来说，最好的部分是框架已经很熟悉了
它只是藏在显眼的地方
“这个模型相当简单，”布伦说
“但这就是它的美妙之处
"
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