Balões de água podem parecer um assunto trivial. Um brinquedo para crianças travessas no verão. Mas para cientistas, o comportamento das bolas de líquido envoltas em uma fina membrana elástica é fundamental para tudo, desde a compreensão das células sanguíneas até o combate a incêndios.

Usando canhões de ar personalizados e fotografia de alta velocidade, Os pesquisadores de Princeton estabeleceram as regras físicas definitivas que regem o impacto da cápsula, uma área de pesquisa praticamente inexplorada até agora. Os resultados, publicado em 16 de março em Física da Natureza , revelam uma relação surpreendente entre o comportamento das cápsulas e das gotículas de água. Onde as cápsulas são mantidas juntas pela tensão de uma membrana, as gotas de água são mantidas juntas por uma força chamada tensão superficial. Os pesquisadores usaram essa conexão para adaptar a matemática bem compreendida que descreve as gotas de água para problemas de engenharia relacionados às cápsulas.

"O mais surpreendente é que o impacto se parece muito com o de uma queda, "disse Etienne Jambon-Puillet, pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do estudo. "A maioria das pessoas que estudam cápsulas recorrem a simulações numéricas complexas para modelar sua deformação, onde aqui derivamos um modelo simples, algo que seja fácil de entender. "

Durante seu Ph.D. pesquisa na Sorbonne University, Jambon-Puillet estava estudando o comportamento de gotículas de água cobertas por pequenas contas. Em busca de uma maneira mais simples de entender o complicado problema que tem pela frente, ele consultou a literatura para encontrar um modelo de como as cápsulas elásticas funcionam. Mas ele veio vazio. Perplexo e intrigado, ele foi forçado a deixar a questão das cápsulas de lado por alguns anos e passar para outros problemas.

Quando ele se juntou ao Laboratório de Líquidos e Elasticidade de Pierre-Thomas Brun em Princeton, ele viu a oportunidade perfeita para voltar a essa questão em seu trabalho de pós-graduação. Quando um balão de água atinge a superfície, o que acontece com a concha elástica?

"O estudo realmente faz sentido no contexto mais amplo da mecânica dos fluidos, "disse Brun, professor assistente de engenharia química e biológica e autor sênior do artigo. "Há décadas que as pessoas têm se esforçado para estudar o impacto da queda, e de alguma forma Etienne descobriu que havia este pequeno quebra-cabeça que estava completamente intocado. "

Para controlar os parâmetros do experimento, a equipe fez cápsulas elásticas do tamanho de uma bola de chiclete. Eles então os encheram até a capacidade exata - sem esticá-los - e bateram os balões contra uma parede a cerca de 160 quilômetros por hora usando um pequeno canhão de ar. Com a câmera rodando em 20, 000 quadros por segundo, os pesquisadores foram capazes de fazer medições precisas da casca fina conforme ela fazia o impacto. Eles repetiram o experimento com dois tipos diferentes de líquidos, glicerol e mel, para ver como a dinâmica mudou com maior viscosidade. Novamente, a analogia com as gotas líquidas mantida.

A equipe então se voltou para balões de água comerciais para ver o que acontece quando uma concha elástica é esticada com fluido, a maneira como normalmente pensamos em encher balões com água. Não tão cheio que você não pode jogá-lo, mas cheio o suficiente para explodir com o impacto, encharcando um amigo desavisado. (Se esse amigo permanecer amigável é outra história). Acontece que existe um valor crítico no qual um balão viajando a uma determinada velocidade deve ser esticado para estourar. Qualquer um que já jogou um fracasso, vê-lo ricochetear em uma suposta vítima e rolar tristemente para longe, conhece a importância deste valor crítico. Ou você precisava enchê-lo mais ou jogá-lo com mais força.

Bem como o resto de nós, quando se trata de balões de água e seus semelhantes, engenheiros estão voando às cegas, de acordo com Brun. Esses valores críticos nunca foram formalizados.

Uma gama de tecnologias depende de cápsulas cheias de fluido semelhantes, e conforme os esforços de bioengenharia se tornam cada vez mais sofisticados, esse número de tecnologias certamente crescerá. O estômago, a bexiga, os pulmões, células do sangue - muitos órgãos e funções biológicas essenciais dependem de tais câmaras cheias de fluido expansíveis.

Brun e sua equipe deram aos pesquisadores uma estrutura matemática para entender como esses objetos se deformam com o impacto. E para os engenheiros que trabalham nesses problemas, a melhor parte é que o framework já é familiar. Estava apenas se escondendo à vista de todos.

"O modelo é bastante simples, "Brun disse." Mas é isso que é bonito. "