Los globos de agua pueden parecer un asunto trivial. Un juguete para niños traviesos en verano. Pero para los científicos, El comportamiento de las bolas de líquido envueltas en una fina membrana elástica es fundamental para todo, desde comprender las células sanguíneas hasta combatir incendios.

Usando cañones de aire hechos a medida y fotografías de alta velocidad, Los investigadores de Princeton han establecido las reglas físicas definitivas que gobiernan el impacto de la cápsula, un área de investigación que había estado prácticamente inexplorada hasta ahora. Los resultados, publicado el 16 de marzo en Física de la naturaleza , revelan una relación sorprendente entre el comportamiento de las cápsulas y las gotas de agua. Donde las cápsulas se mantienen unidas por la tensión de una membrana, las gotas de agua se mantienen unidas por una fuerza llamada tensión superficial. Los investigadores utilizaron esa conexión para adaptar las matemáticas bien entendidas que describen las gotas de agua a los problemas de ingeniería relacionados con las cápsulas.

"Lo más sorprendente es que el impacto se parece mucho al de una gota, "dijo Etienne Jambon-Puillet, investigador postdoctoral y primer autor del estudio. "La mayoría de las personas que estudian cápsulas recurren a complejas simulaciones numéricas para modelar su deformación, donde aquí hemos derivado un modelo simple, algo que sea fácil de entender ".

Durante su Ph.D. investigación en la Universidad de la Sorbona, Jambon-Puillet estaba estudiando el comportamiento de las gotas de agua cubiertas con pequeñas cuentas. Buscando una forma más sencilla de comprender el complicado problema que tenía ante sí, buscó en la literatura un modelo de cómo funcionan las cápsulas elásticas. Pero llegó vacío. Perplejo e intrigado, se vio obligado a dejar de lado la cuestión de las cápsulas durante unos años y pasar a otros problemas.

Cuando se incorporó al Laboratorio de Líquidos y Elasticidad de Pierre-Thomas Brun en Princeton, vio la oportunidad perfecta para volver a esa pregunta de su trabajo en la escuela de posgrado. Cuando un globo de agua golpea una superficie, ¿Qué pasa con el caparazón elástico?

"El estudio realmente tiene sentido en el contexto más amplio de la mecánica de fluidos, "dijo Brun, profesor asistente de ingeniería química y biológica y autor principal del artículo. "La gente durante décadas se ha estado rompiendo la cabeza al estudiar el impacto de las gotas, y de alguna manera Etienne descubrió que había un pequeño rompecabezas que estaba completamente intacto ".

Para controlar los parámetros del experimento, el equipo de cápsulas elásticas hechas a medida del tamaño de un chicle. Luego los llenaron a su capacidad exacta, sin estirarlos, y rompieron los globos contra una pared a alrededor de 100 millas por hora usando un pequeño cañón de aire. Con la cámara rodando a 20, 000 cuadros por segundo, los investigadores pudieron tomar medidas precisas de la delgada capa que producía el impacto. Repitieron el experimento con dos tipos diferentes de líquidos, glicerol y miel, para ver cómo cambiaba la dinámica con mayor viscosidad. De nuevo, la analogía con las gotas líquidas se mantuvo.

Luego, el equipo recurrió a los globos de agua comerciales para ver qué sucede cuando una capa elástica se estira con líquido, la forma en que normalmente pensamos en llenar globos con agua. No tan lleno que no puedas tirarlo pero lo suficientemente lleno como para estallar con el impacto, empapando a un amigo desprevenido. (Si ese amigo sigue siendo amigable es otra historia). Resulta que hay un valor crítico en el que un globo que viaja a una velocidad determinada debe estirarse para que explote. Cualquiera que haya arrojado un fiasco, viéndolo rebotar en una posible víctima y alejarse con tristeza, conoce la importancia de este valor crítico. Necesitabas llenarlo más o tirarlo más fuerte.

Al igual que el resto de nosotros, cuando se trata de globos de agua y similares, los ingenieros han estado volando a ciegas, según Brun. Esos valores críticos nunca se habían formalizado.

Una variedad de tecnologías se basan en cápsulas llenas de líquido similares, y a medida que los esfuerzos de bioingeniería se vuelven cada vez más sofisticados, ese número de tecnologías seguramente crecerá. El estómago, la vejiga, los pulmones, células sanguíneas:muchos órganos y funciones biológicas esenciales dependen de Cámaras expandibles llenas de fluido.

Brun y su equipo han proporcionado a los investigadores un marco matemático para comprender cómo estos objetos se deforman con el impacto. Y para los ingenieros que trabajan en estos problemas, la mejor parte es que el marco ya es familiar. Simplemente estaba escondido a plena vista.

"El modelo es bastante simple, "Dijo Brun." Pero eso es lo hermoso de esto ".