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 delgada membrana elástica es fundamental para todo, desde la comprensión de las células sanguíneas hasta la lucha contra incendios.
Utilizando cañones de aire hechos a medida y fotografía de alta velocidad, los investigadores de Princeton han establecido las reglas físicas definitivas que rigen el impacto de la cápsula, un área de investigación que prácticamente no había sido explorada hasta ahora. Los resultados, publicados el 16 de marzo en Física de la naturaleza , revela una sorprendente relación entre el comportamiento de las cápsulas y las gotas de agua. Cuando las cápsulas se mantienen unidas por la tensión de una membrana, las gotas de agua se mantienen juntas por una fuerza llamada tensión superficial. Los investigadores utilizaron esa conexión para adaptar el bien entendidoMatemáticas que describen las gotas de agua a 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 susdeformación, donde aquí hemos derivado un modelo simple, algo que es fácil de entender "
Durante su investigación de doctorado 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 él, buscó en la literatura un modelosobre cómo funcionan las cápsulas elásticas. Pero se quedó vacío. Perplejo e intrigado, se vio obligado a dejar a un lado la pregunta sobre las cápsulas durante unos años y pasar a otros problemas.
Cuando se unió 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 le sucede a la capa elástica?
"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. "Las personas durante décadas han estado destrozando sus cerebros estudiando el impacto de la caída, y de alguna manera Etiennedescubrí que había un pequeño rompecabezas que estaba completamente intacto "
Para controlar los parámetros del experimento, el equipo hizo cápsulas elásticas personalizadas del tamaño de una bola de chicle. Luego las llenaron hasta su capacidad exacta, sin estirarlas, y aplastaron los globos contra una pared a unas 100 millas por hora usandoun pequeño cañón de aire. Con la cámara rodando a 20,000 fotogramas por segundo, los investigadores pudieron tomar finas mediciones de la delgada carcasa a medida que impactaba. Repitieron el experimento con dos tipos diferentes de líquidos, glicerol y miel, para ver cómola dinámica cambió con mayor viscosidad. Nuevamente, la analogía con las gotas líquidas se mantuvo.
Luego, el equipo recurrió a los globos de agua comerciales para ver qué sucede cuando una cáscara elástica se estira con líquido, de la forma en que generalmente pensamos en llenar globos con agua. No está tan lleno que no puedes tirarlo, pero lo suficientemente lleno como para explotarimpacto, empapar 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 dada debe estirarse para que explote. Cualquiera que haya arrojado un trapo,verlo rebotar en una posible víctima y rodar tristemente, sabe 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 su tipo, los ingenieros han estado volando a ciegas, según Brun. Esos valores críticos nunca se habían formalizado.
Una gama de tecnologías depende de cápsulas similares llenas de líquido, y a medida que los esfuerzos de bioingeniería se vuelven cada vez más sofisticados, es seguro que esa cantidad de tecnologías crecerá. El estómago, la vejiga, los pulmones, las células sanguíneas, muchos órganos y componentes biológicos esencialeslas funciones se basan en cámaras delgadas y expandibles llenas de líquido.
Brun y su equipo han brindado 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 se estaba ocultando a simple vista.
"El modelo es bastante simple", dijo Brun. "Pero eso es lo hermoso de esto".
Además de Brun y Jambon-Puillet, Trevor J. Jones, un estudiante graduado en ingeniería química y biológica, contribuyó al experimento. La investigación fue financiada en parte por una subvención del Centro Princeton para Materiales Complejos NSF MRSEC.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Scott Lyon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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