水球物理学是一门影响很大的科学

时间:2020-04-06 18:34 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

水球物理学是一门影响很大的科学

水球似乎是一件小事。夏天淘气的孩子们的玩具。但对科学家来说,包裹在一层弹性薄膜中的液体小球的行为,从了解血细胞到救火,都是至关重要的。

利用定制的空气炮和高速摄影技术,普林斯顿大学的研究人员已经建立了控制胶囊撞击的最终物理规则,这是一个研究领域,到目前为止几乎还没有被探索过。研究结果发表在3月16日的《自然物理》杂志上,揭示了胶囊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,将人们熟知的描述水滴的数学方法应用到与胶囊有关的工程问题中。

该研究的第一作者、博士后研究员艾蒂安·简本-普莱特(Etienne Jambon-Puillet)说,“最令人惊讶的是,这种影响看起来很像下降。”“大多数研究太空舱的人都借助于复杂的数值模拟来模拟它们的变形,而我们在这里得到了一个简单的模型,这个模型很容易理解。”

在索邦大学攻读博士期间,Jambon-Puillet研究了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他面前的复杂问题,他查阅了文献来寻找弹性胶囊如何工作的模型。但他一无所获。由于困惑和好奇,他不得不把关于太空舱的问题搁置了几年,转而研究其他问题。

当他加入普林斯顿大学Pierre-Thomas Brun的液体和弹性实验室时,他发现了一个绝佳的机会,可以从他的研究生工作中回到这个问题上。当水球撞击表面时,弹性外壳会发生什么变化?

“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坠落的影响,而艾蒂安不知怎么发现了这个完全未被触及的小谜题。”

为了控制实验的参数,研究小组定制了口香糖大小的弹性胶囊。然后他们在不拉伸气球的情况下将其装满,并以每小时100英里的速度用小型空气炮将气球撞到墙上。随着摄像机以每秒2万帧的速度滚动,研究人员能够在薄壳撞击时对其进行精确测量。他们用甘油和蜂蜜这两种不同的液体重复了这个实验,看看粘度越大,动态变化如何。再一次,液滴的类比成立。

然后,研究小组转向商业水球,看看当一个有弹性的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。不是很满,你不能扔,但足够的冲击,爆裂,浸泡一个不知情的朋友。(至于那个朋友是否依然友好则是另一回事了)。结果是存在一个临界值,在这个临界值上,以给定速度飞行的气球必须被拉伸才能爆炸。任何一个曾经扔过一个哑弹的人,看着它从一个可能的受害者身上弹开,然后悲伤地滚走,都知道这个临界值的重要性。你要么把它填满,要么把它扔得更用力。

根据Brun的说法,就像我们其他人一样,当涉及到水球和类似的东西时,工程师们也是盲目飞行的。这些临界值从未正式确定下来。

一系列的技术依赖于类似的充满液体的胶囊,随着生物工程的努力变得越来越复杂,这些技术的数量肯定会增长。胃、膀胱、肺、血细胞——许多器官和基本的生物功能都依赖于这种薄的、可膨胀的充满液体的腔室。

Brun和他的团队已经给了研究人员一个数学框架来理解这些物体是如何随着撞击而变形的。对于处理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,”Brun说。“但这就是它的美丽之处。”

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