Les ballons d'eau peuvent sembler une affaire triviale. Un jouet pour les enfants espiègles en été. Mais pour les scientifiques, le comportement des boules de liquide enveloppées dans une fine membrane élastique est essentiel pour tout, de la compréhension des cellules sanguines à la lutte contre les incendies.

À l'aide de canons à air sur mesure et de photographies à grande vitesse, Les chercheurs de Princeton ont établi les règles physiques définitives régissant l'impact des capsules, un domaine de recherche qui était resté pratiquement inexploré jusqu'à présent. Les résultats, publié le 16 mars dans Physique de la nature , révèlent une relation surprenante entre le comportement des capsules et des gouttelettes d'eau. Lorsque les capsules sont maintenues ensemble par la tension d'une membrane, les gouttelettes d'eau sont maintenues ensemble par une force appelée tension superficielle. Les chercheurs ont utilisé cette connexion pour adapter les mathématiques bien comprises décrivant les gouttelettes d'eau aux problèmes d'ingénierie liés aux capsules.

"Le plus surprenant, c'est que l'impact ressemble beaucoup à celui d'une goutte, " dit Etienne Jambon-Puillet, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'étude. "La plupart des personnes qui étudient les capsules ont recours à des simulations numériques complexes pour modéliser leur déformation, où ici nous avons dérivé un modèle simple, quelque chose de facile à comprendre."

Au cours de son doctorat. recherche à Sorbonne Université, Jambon-Puillet étudiait le comportement de gouttelettes d'eau recouvertes de petites billes. À la recherche d'un moyen plus simple de comprendre le problème compliqué qui se présente à lui, il a consulté la littérature pour trouver un modèle de fonctionnement des capsules élastiques. Mais il est revenu vide. Perplexe et intrigué, il a été contraint de mettre de côté la question des capsules pendant quelques années et de passer à d'autres problèmes.

Lorsqu'il rejoint le Laboratoire Liquides et Élasticité de Pierre-Thomas Brun à Princeton, il a vu l'occasion parfaite de revenir à cette question de son travail d'études supérieures. Lorsqu'un ballon d'eau heurte une surface, qu'arrive-t-il à la coque élastique?

"L'étude a vraiment du sens dans le contexte plus large de la mécanique des fluides, " dit Brun, professeur adjoint de génie chimique et biologique et auteur principal de l'article. "Depuis des décennies, les gens se creusent la tête pour étudier l'impact des chutes, et d'une manière ou d'une autre, Etienne a découvert qu'il y avait ce petit puzzle qui était complètement intact. »

Pour contrôler les paramètres de l'expérience, l'équipe a fabriqué des capsules élastiques sur mesure de la taille d'une boule de gomme. Ils les ont ensuite remplis à leur capacité exacte - sans les étirer - et ont écrasé les ballons contre un mur à environ 100 miles par heure à l'aide d'un petit canon à air. Avec la caméra qui tourne à 20h, 000 images par seconde, les chercheurs ont pu prendre des mesures fines de la coque mince lors de l'impact. Ils ont répété l'expérience avec deux types de liquides différents, glycérol et miel, pour voir comment la dynamique a changé avec une plus grande viscosité. De nouveau, l'analogie avec les gouttes liquides tenue.

L'équipe s'est ensuite tournée vers des ballons d'eau commerciaux pour voir ce qui se passe lorsqu'une coque élastique est étirée avec du liquide, la façon dont nous pensons généralement à remplir des ballons avec de l'eau. Pas si plein que tu ne peux pas le jeter, mais assez plein pour éclater à l'impact, tremper un ami sans méfiance. (Que cet ami reste amical est une autre histoire). Il s'avère qu'il existe une valeur critique à laquelle un ballon voyageant à une vitesse donnée doit être étiré pour qu'il éclate. Quiconque a déjà jeté un raté, le regarder rebondir sur une victime potentielle et rouler tristement, connaît l'importance de cette valeur critique. Vous deviez soit le remplir davantage, soit le jeter plus fort.

Tout comme le reste d'entre nous, quand il s'agit de ballons à eau et de leurs semblables, les ingénieurs volent à l'aveugle, selon Brun. Ces valeurs critiques n'avaient jamais été formalisées.

Une gamme de technologies repose sur des capsules remplies de liquide similaires, et à mesure que les efforts de bio-ingénierie deviennent de plus en plus sophistiqués, ce nombre de technologies ne manquera pas de croître. L'estomac, la vessie, les poumons, cellules sanguines - de nombreux organes et fonctions biologiques essentielles reposent sur des cellules aussi minces, chambres extensibles remplies de fluide.

Brun et son équipe ont donné aux chercheurs un cadre mathématique pour comprendre comment ces objets se déforment avec l'impact. Et pour les ingénieurs travaillant sur ces problèmes, la meilleure partie est que le cadre est déjà familier. Il se cachait juste à la vue de tous.

"Le modèle est assez simple, " dit Brun. "Mais c'est ça qu'il y a de beau."