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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。但對科學家來說，包裹在薄彈性膜中的液球行為對從理解細胞到滅火的一切都至關重要。
使用定制的空氣炮和高速攝影，普林斯頓大學科學家已經建立了管理太空艙撞擊的明確物理規則，這是一個到目前為止幾乎沒有探索過的研究領域。在他們發表在《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系，使描述水滴的數學變得容易理解，以適應與膠囊相關的工程問題。
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。大多數研究膠囊的人，求助于復雜的數值模擬來模擬變形，本研究得到了一個簡單的模型，一些容易理解的東西。
在索邦大學進行博士研究期間，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雜問題，他查閱了文獻，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，轉向其他問題。當他加入普林斯頓大學皮埃爾-托馬斯·布倫的液體和彈性實驗室時，他看到了一個絕佳的機會，可以從研究生院的工作中回到這個問題上來。
當水球撞擊表面時，彈性殼會發生什么情況？研究作者之一、化學和生物工程的助理教授布倫說：這項研究在流體力學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，艾蒂安發現有一個小謎題完全沒有人碰過。
為了控制實驗參數，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約100英里的速度將氣球砸向墻壁。
高速攝像機以每秒20000幀的速度記錄這些畫面，研究人員能夠在薄殼撞擊時對其進行精細測量。用兩種不同的液體（甘油和蜂蜜）重復實驗，看看粘度越大，動態變化越大，同樣，對液滴的類比也是成立的。
然后，研究小組轉向商業水球，看看當彈性殼體被流體拉伸時會發生什么，就像通常認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爆裂，扔在一個毫無戒心的朋友身上。
原來存在一個臨界值，在這個臨界值下，以給定速度飛行的氣球必須被拉伸才能爆裂。任何曾經扔過啞彈的人，看著它從一個潛在的受害者身上彈出來，然后悲傷地滾走，都知道這個臨界值的重要性，要么需要加更多的油，要么更用力地扔。
一系列技術依賴于類似的充液膠囊，隨著生物工程努力變得越來越復雜，這一數量肯定會增長。胃、膀胱、肺、血細胞，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
參考期刊《自然物理》
DOI: 10.1038/s41567-020-0832-x
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