水氣球看起來可能是一件微不足道的玩物，是夏天給孩子們玩的玩具。但對科學(xué)家來說，包裹在薄彈性膜中的液球行為對從理解細(xì)胞到滅火的一切都至關(guān)重要。

使用定制的空氣炮和高速攝影，普林斯頓大學(xué)科學(xué)家已經(jīng)建立了管理太空艙撞擊的明確物理規(guī)則，這是一個(gè)到目前為止幾乎沒有探索過的研究領(lǐng)域。在他們發(fā)表在《自然物理》期刊上的研究成果，揭示了膠囊行為和水滴之間令人驚訝的關(guān)系。

膠囊通過膜的張力保持在一起，水滴則通過一種稱為表面張力的力保持在一起。研究人員利用這種聯(lián)系，使描述水滴的數(shù)學(xué)變得容易理解，以適應(yīng)與膠囊相關(guān)的工程問題。

該研究的第一作者、博士后研究員艾蒂安·詹邦-普伊萊特說：最令人驚訝的是，這種影響看起來很像是一滴水。大多數(shù)研究膠囊的人，求助于復(fù)雜的數(shù)值模擬來模擬變形，本研究得到了一個(gè)簡單的模型，一些容易理解的東西。

在索邦大學(xué)進(jìn)行博士研究期間，Jambon-Puillet正在研究覆蓋著小珠的水滴的行為。為了尋找一種更簡單的方法來理解擺在他面前的復(fù)雜問題，他查閱了文獻(xiàn)，以找到彈性膠囊如何工作的模型，但一無所獲。

他既困惑又好奇，被迫將膠囊的問題擱置幾年，轉(zhuǎn)向其他問題。當(dāng)他加入普林斯頓大學(xué)皮埃爾-托馬斯·布倫的液體和彈性實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他看到了一個(gè)絕佳的機(jī)會，可以從研究生院的工作中回到這個(gè)問題上來。

當(dāng)水球撞擊表面時(shí)，彈性殼會發(fā)生什么情況？研究作者之一、化學(xué)和生物工程的助理教授布倫說：這項(xiàng)研究在流體力學(xué)更廣泛背景下真的很有意義，幾十年來，人們一直在絞盡腦汁研究跌落撞擊，不知何故，艾蒂安發(fā)現(xiàn)有一個(gè)小謎題完全沒有人碰過。

為了控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究小組定制了口香糖大小的彈性膠囊。然后，在沒有拉伸的情況下，將氣球填滿到合適的容量，并用小型空氣炮以每小時(shí)約100英里的速度將氣球砸向墻壁。

高速攝像機(jī)以每秒20000幀的速度記錄這些畫面，研究人員能夠在薄殼撞擊時(shí)對其進(jìn)行精細(xì)測量。用兩種不同的液體（甘油和蜂蜜）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，看看粘度越大，動態(tài)變化越大，同樣，對液滴的類比也是成立的。

然后，研究小組轉(zhuǎn)向商業(yè)水球，看看當(dāng)彈性殼體被流體拉伸時(shí)會發(fā)生什么，就像通常認(rèn)為用水填充氣球的方式。不是很滿，但足夠滿到可以在撞擊時(shí)爆裂，扔在一個(gè)毫無戒心的朋友身上。

原來存在一個(gè)臨界值，在這個(gè)臨界值下，以給定速度飛行的氣球必須被拉伸才能爆裂。任何曾經(jīng)扔過啞彈的人，看著它從一個(gè)潛在的受害者身上彈出來，然后悲傷地滾走，都知道這個(gè)臨界值的重要性，要么需要加更多的油，要么更用力地扔。

一系列技術(shù)依賴于類似的充液膠囊，隨著生物工程努力變得越來越復(fù)雜，這一數(shù)量肯定會增長。胃、膀胱、肺、血細(xì)胞，動物許多器官和基本生物功能都依賴于這種薄薄的、可膨脹充滿液體的腔室。

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學(xué)

參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0832-x

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