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胶囊变形模型预测水囊是否会破裂

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蒙太奇的影响几个水气球。图片提供:E Jambon-Puillet和PT Brun)

除非将水囊预先拉伸,否则几乎不可能通过将水囊扔在墙上来破裂水囊。这是美国普林斯顿大学研究人员的发现,他们研究并测试了一种模型,该模型可预测弹性胶囊在撞击时如何变形和破裂。他们说,这项工作可能在许多领域都具有实际意义,包括开发更安全的防暴弹丸,更好的灭火技术以及改进的安全指导,以最大程度地减少车祸中内部器官损坏的风险。

从红细胞到胃和膀胱等器官,弹性膜胶囊在我们的身体中无处不在。模仿它们的生物学对应物的人工工程化的胶囊也是常见的,用于许多工业应用中。这些容器无论是有机的还是合成的,都存在着用于运输和输送否则容易受到污染的液体的问题。然而,尽管这种胶囊盛行,但对于撞击发生的物理现象知之甚少。

将水气球扔在墙上

为了填补这一知识空白(严格来说是为了科学的利益),由 皮埃尔·托马斯·布伦普林斯顿大学化学与生物工程系 他们进行了一些实验,在实验中,他们将定制的弹性体胶囊和在商店购买的装有不同液体的水囊扔向了平坦的墙壁。他们拍摄了一系列图像,显示了当撞击速度从大约6 m / s增加到接近40 m / s时,胶囊和气球如何变形。

研究人员将胶囊的撞击比作液滴落在表面上的撞击,但有两种变化。首先是胶囊的表面模量(取决于胶囊材料的剪切模量和厚度的参数)代替了液滴的表面张力。第二个问题是,虽然胶囊的撞击可能会产生与跌落撞击类似的大变形,但与水滴不同,胶囊可能会突然打开并释放其内含物。胶囊还根据其雷诺数而变形,该雷诺数描述了流体的流动并表达了流体的惯性力和粘性力的比值,以及等效于其韦伯数的弹性壳等效物–与流体惯性相比它的表面张力。

需要预拉伸

根据他们改进的液滴类比,Brun及其同事创建了一个模型,该模型可定量地预测胶囊或水囊在撞击时的最大变形及其可能破裂。

“我们发现要破裂一个弹性胶囊,我们需要通过向其中填充一定量的液体进行预拉伸,该液体的体积超过了静止时胶囊的体积,” Brun说道。 物理世界。 “我们现在可以预测在给定的冲击速度范围内,打破一个胶囊需要多少充气。”

仅在预期时破裂

普林斯顿大学的研究人员认为,他们的模型可以使设计仅在预期情况下破裂的胶囊更容易。可能的应用包括以较低的撞击速度破裂的更安全的防暴射弹,从而避免对目标人员造成严重伤害;以及灭火弹性体胶囊,可将其投入小型家庭火灾或从飞机中释放出来,以对抗大规模火灾。他们说,该模型甚至可以帮助制定安全指南,以减少车祸中内部器官爆裂的风险。

虽然目前的工作,在 自然物理学研究人员认为,针对宏观物体,他们的模型可以扩展到微观尺度。 “我们已经证明,在液滴和弹性胶囊之间进行简单的类比,对于理解与胶囊有关的其他复杂的流体-结构相互作用确实很有用,例如最近在微流体通道中观察到的微胶囊的变形,” Brun说。 “这里的变形源将来自周围流体产生的粘性效应。”

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