Waterballonnen lijken misschien een triviale zaak. Een speeltje voor ondeugende kinderen in de zomer. Maar voor wetenschappers het gedrag van vloeistofballen verpakt in een dun elastisch membraan is van cruciaal belang voor alles, van het begrijpen van bloedcellen tot het bestrijden van branden.

Met behulp van op maat gemaakte luchtkanonnen en high-speed fotografie, Princeton-onderzoekers hebben de definitieve fysieke regels vastgesteld voor capsule-impact, een onderzoeksgebied dat tot nu toe vrijwel onontgonnen was. De resultaten, gepubliceerd 16 maart in Natuurfysica , onthullen een verrassende relatie tussen het gedrag van capsules en waterdruppels. Waar capsules bij elkaar worden gehouden door de spanning van een membraan, waterdruppels worden bij elkaar gehouden door een kracht die oppervlaktespanning wordt genoemd. De onderzoekers gebruikten die verbinding om de goed begrepen wiskunde die waterdruppels beschrijft aan te passen aan technische problemen met betrekking tot capsules.

"Het meest verrassende is dat de impact veel lijkt op die van een druppel, " zei Etienne Jambon-Puillet, een postdoctoraal onderzoeker en de eerste auteur van de studie. "De meeste mensen die capsules bestuderen, nemen hun toevlucht tot complexe numerieke simulaties om hun vervorming te modelleren, waar we hier een eenvoudig model hebben afgeleid, iets dat gemakkelijk te begrijpen is."

Tijdens zijn Ph.D. onderzoek aan de Sorbonne Universiteit, Jambon-Puillet bestudeerde het gedrag van waterdruppels bedekt met kleine kralen. Op zoek naar een eenvoudigere manier om het gecompliceerde probleem voor hem te begrijpen, hij zocht in de literatuur naar een model voor de werking van elastische capsules. Maar hij kwam leeg over. Verbijsterd en geïntrigeerd, hij zag zich genoodzaakt de kwestie van de capsules een paar jaar opzij te zetten en over te gaan tot andere problemen.

Toen hij bij Pierre-Thomas Brun's Liquids and Elasticity Laboratory in Princeton kwam, hij zag de perfecte gelegenheid om op die vraag terug te komen vanuit zijn afstudeerwerk. Wanneer een waterballon een oppervlak raakt, wat gebeurt er met de elastische schaal?

"De studie is echt zinvol in de bredere context van vloeistofmechanica, " zei Brun, een assistent-professor chemische en biologische technologie en senior auteur van het papier. "Mensen zijn al tientallen jaren bezig met het bestuderen van druppelimpact, en op de een of andere manier ontdekte Etienne dat er een kleine puzzel was die volledig onaangeroerd was."

Om de parameters van het experiment te controleren, het team maakte op maat gemaakte elastische capsules ter grootte van een kauwgombal. Ze vulden die vervolgens tot de exacte capaciteit - zonder ze uit te rekken - en sloegen de ballonnen tegen een muur met ongeveer 100 mijl per uur met behulp van een klein luchtkanon. Met de camera aan het rollen op 20, 000 beelden per seconde, de onderzoekers waren in staat om fijne metingen te doen van de dunne schaal terwijl deze insloeg. Ze herhaalden het experiment met twee verschillende soorten vloeistoffen, glycerol en honing, om te zien hoe de dynamiek veranderde met een grotere viscositeit. Opnieuw, de analogie met vloeibare druppels aangehouden.

Het team wendde zich vervolgens tot commerciële waterballonnen om te zien wat er gebeurt als een elastische schaal wordt uitgerekt met vloeistof, de manier waarop we meestal denken aan het vullen van ballonnen met water. Niet zo vol dat je het niet kunt gooien, maar vol genoeg om te barsten bij impact, een nietsvermoedende vriend nat maken. (Of die vriend vriendelijk blijft is een ander verhaal). Het blijkt dat er een kritieke waarde is waarbij een ballon die met een bepaalde snelheid reist, moet worden uitgerekt om te barsten. Iedereen die ooit een blindganger heeft gegooid, kijken hoe het van een potentieel slachtoffer afketst en droevig wegrolt, kent het belang van deze kritische waarde. Je moest het meer vullen of harder gooien.

Net als de rest van ons, als het gaat om waterballonnen en hun soortgenoten, ingenieurs zijn blind gevlogen, volgens Brun. Die kritische waarden waren nooit geformaliseerd.

Een reeks technologieën vertrouwt op vergelijkbare met vloeistof gevulde capsules, en naarmate de inspanningen op het gebied van bio-engineering steeds geavanceerder worden, dat aantal technologieën zal zeker groeien. De buik, de blaas, de longen, bloedcellen - veel organen en essentiële biologische functies zijn afhankelijk van zulke dunne, uitbreidbare met vloeistof gevulde kamers.

Brun en zijn team hebben onderzoekers een wiskundig raamwerk gegeven om te begrijpen hoe deze objecten vervormen bij impact. En voor de ingenieurs die aan deze problemen werken, het beste is dat het raamwerk al bekend is. Het was gewoon verstopt in het zicht.

"Het model is vrij eenvoudig, ' zei Brun. 'Maar dat is het mooie ervan.'