从细胞到灭火工程问题，你玩过的水气球里面，藏着高深的物理学！

水气球看起来可能是一件微不足道的玩物，是夏天给孩子们玩的玩具。但对科学家来说，包裹在薄弹性膜中的液球行为对从理解细胞到灭火的一切都至关重要。

使用定制的空气炮和高速摄影，普林斯顿大学科学家已经建立了管理太空舱撞击的明确物理规则，这是一个到目前为止几乎没有探索过的研究领域。在他们发表在《自然物理》期刊上的研究成果，揭示了胶囊行为和水滴之间令人惊讶的关系。

胶囊通过膜的张力保持在一起，水滴则通过一种称为表面张力的力保持在一起。研究人员利用这种联系，使描述水滴的数学变得容易理解，以适应与胶囊相关的工程问题。

该研究的第一作者、博士后研究员艾蒂安·詹邦-普伊莱特说：最令人惊讶的是，这种影响看起来很像是一滴水。大多数研究胶囊的人，求助于复杂的数值模拟来模拟变形，本研究得到了一个简单的模型，一些容易理解的东西。

（上图所示）水球穿过空气炮击中墙壁，并通过高速摄影机捕捉到的影响，揭示了从理解细胞到灭火等广泛工程问题的新物理学。图片：Pierre-Thomas Brun

在索邦大学进行博士研究期间，Jambon-Puillet正在研究覆盖着小珠的水滴的行为。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，以找到弹性胶囊如何工作的模型，但一无所获。

他既困惑又好奇，被迫将胶囊的问题搁置几年，转向其他问题。当他加入普林斯顿大学皮埃尔-托马斯·布伦的液体和弹性实验室时，他看到了一个绝佳的机会，可以从研究生院的工作中回到这个问题上来。

当水球撞击表面时，弹性壳会发生什么情况？研究作者之一、化学和生物工程的助理教授布伦说：这项研究在流体力学更广泛背景下真的很有意义，几十年来，人们一直在绞尽脑汁研究跌落撞击，不知何故，艾蒂安发现有一个小谜题完全没有人碰过。

为了控制实验参数，研究小组定制了口香糖大小的弹性胶囊。然后，在没有拉伸的情况下，将气球填满到合适的容量，并用小型空气炮以每小时约100英里的速度将气球砸向墙壁。

高速摄像机以每秒20000帧的速度记录这些画面，研究人员能够在薄壳撞击时对其进行精细测量。用两种不同的液体（甘油和蜂蜜）重复实验，看看粘度越大，动态变化越大，同样，对液滴的类比也是成立的。

然后，研究小组转向商业水球，看看当弹性壳体被流体拉伸时会发生什么，就像通常认为用水填充气球的方式。不是很满，但足够满到可以在撞击时爆裂，扔在一个毫无戒心的朋友身上。

原来存在一个临界值，在这个临界值下，以给定速度飞行的气球必须被拉伸才能爆裂。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出来，然后悲伤地滚走，都知道这个临界值的重要性，要么需要加更多的油，要么更用力地扔。

一系列技术依赖于类似的充液胶囊，随着生物工程努力变得越来越复杂，这一数量肯定会增长。胃、膀胱、肺、血细胞，动物许多器官和基本生物功能都依赖于这种薄薄的、可膨胀充满液体的腔室。

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博科园｜研究/来自：普林斯顿大学

参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0832-x

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