I palloncini d'acqua possono sembrare una cosa banale. Un giocattolo per bambini dispettosi in estate. Ma per gli scienziati, il comportamento delle sfere di liquido avvolte in una sottile membrana elastica è fondamentale per tutto, dalla comprensione delle cellule del sangue alla lotta agli incendi.

Utilizzando cannoni ad aria personalizzati e fotografie ad alta velocità, I ricercatori di Princeton hanno stabilito le regole fisiche definitive che governano l'impatto della capsula, un'area di ricerca che era rimasta praticamente inesplorata fino ad ora. I risultati, pubblicato il 16 marzo in Fisica della natura , rivelano una sorprendente relazione tra il comportamento delle capsule e le gocce d'acqua. Dove le capsule sono tenute insieme dalla tensione di una membrana, le gocce d'acqua sono tenute insieme da una forza chiamata tensione superficiale. I ricercatori hanno usato quella connessione per adattare la matematica ben nota che descrive le gocce d'acqua ai problemi di ingegneria relativi alle capsule.

"La cosa più sorprendente è che l'impatto assomiglia molto a quello di una goccia, " disse Etienne Jambon-Puillet, un ricercatore post-dottorato e il primo autore dello studio. "La maggior parte delle persone che studiano le capsule ricorre a complesse simulazioni numeriche per modellare la loro deformazione, dove qui abbiamo derivato un semplice modello, qualcosa che è facile da capire."

Durante il suo dottorato di ricerca ricerca presso l'Università della Sorbona, Jambon-Puillet stava studiando il comportamento delle gocce d'acqua ricoperte da piccole perle. Cercando un modo più semplice per capire il complicato problema che ha di fronte, ha cercato nella letteratura un modello per il funzionamento delle capsule elastiche. Ma è venuto fuori vuoto. Perplesso e incuriosito, fu costretto a mettere da parte la questione delle capsule per alcuni anni e passare ad altri problemi.

Quando è entrato a far parte del Laboratorio di liquidi ed elasticità di Pierre-Thomas Brun a Princeton, ha visto l'occasione perfetta per tornare a quella domanda dal suo lavoro di scuola di specializzazione. Quando un pallone d'acqua colpisce una superficie, cosa succede al guscio elastico?

"Lo studio ha davvero senso nel contesto più ampio della meccanica dei fluidi, " disse Brun, un assistente professore di ingegneria chimica e biologica e autore senior del documento. "Per decenni le persone si sono scervellate studiando l'impatto delle cadute, e in qualche modo Etienne ha scoperto che c'era questo piccolo puzzle che era completamente intatto."

Per controllare i parametri dell'esperimento, il team ha realizzato capsule elastiche su misura delle dimensioni di un gumball. Quindi li hanno riempiti fino alla capacità esatta, senza allungarli, e hanno fatto schiantare i palloncini contro un muro a circa 100 miglia all'ora usando un piccolo cannone ad aria. Con la telecamera che gira alle 20, 000 fotogrammi al secondo, i ricercatori sono stati in grado di effettuare misurazioni precise del guscio sottile quando ha avuto un impatto. Hanno ripetuto l'esperimento con due diversi tipi di liquidi, glicerolo e miele, per vedere come la dinamica è cambiata con una maggiore viscosità. Ancora, l'analogia con le gocce liquide trattenute.

Il team si è quindi rivolto a palloncini d'acqua commerciali per vedere cosa succede quando un guscio elastico viene allungato con fluido, il modo in cui in genere pensiamo di riempire i palloncini con l'acqua. Non così pieno da non poterlo lanciare, ma abbastanza pieno da scoppiare all'impatto, inzuppare un amico ignaro. (Se quell'amico rimane amichevole è un'altra storia). Si scopre che esiste un valore critico al quale un pallone che viaggia a una data velocità deve essere allungato per farlo scoppiare. Chiunque abbia mai fatto un casino, guardarlo rimbalzare su una potenziale vittima e rotolare via tristemente, conosce l'importanza di questo valore critico. O dovevi riempirlo di più o lanciarlo più forte.

Proprio come il resto di noi, quando si tratta di palloncini d'acqua e simili, gli ingegneri hanno volato alla cieca, secondo Brun. Quei valori critici non erano mai stati formalizzati.

Una gamma di tecnologie si basa su capsule riempite di liquido simili, e poiché gli sforzi di bioingegneria diventano sempre più sofisticati, quel numero di tecnologie è destinato a crescere. Lo stomaco, la vescica, i polmoni, cellule del sangue:molti organi e funzioni biologiche essenziali si basano su tali sottili, camere espandibili riempite di liquido.

Brun e il suo team hanno fornito ai ricercatori un quadro matematico per capire come questi oggetti si deformano con l'impatto. E per gli ingegneri che lavorano su questi problemi, la parte migliore è che il framework è già familiare. Si stava solo nascondendo in bella vista.

"Il modello è abbastanza semplice, " disse Brun. "Ma è questo che c'è di bello."