Vattenballonger kan verka som en trivial fråga. En leksak för busiga barn på sommaren. Men för forskare, beteendet hos vätskebollar inslagna i ett tunt elastiskt membran är avgörande för allt från att förstå blodceller till att bekämpa bränder.

Med hjälp av skräddarsydda luftkanoner och höghastighetsfotografering, Princetons forskare har fastställt de slutgiltiga fysiska reglerna för kapselpåverkan, ett forskningsområde som hittills varit praktiskt taget outforskat. Resultaten, publicerad 16 mars i Naturfysik , avslöjar ett överraskande samband mellan kapselns beteende och vattendroppar. Där kapslar hålls samman av ett membrans spänning, vattendroppar hålls samman av en kraft som kallas ytspänning. Forskarna använde den anslutningen för att anpassa den väl förstådda matematiken som beskriver vattendroppar till tekniska problem relaterade till kapslar.

"Det mest överraskande är att effekten ser mycket ut som en droppe, "sa Etienne Jambon-Puillet, en postdoktor och studiens första författare. "De flesta som studerar kapslar använder komplexa numeriska simuleringar för att modellera deras deformation, där vi här har härlett en enkel modell, något som är lätt att förstå. "

Under sin doktorsexamen forskning vid Sorbonne University, Jambon-Puillet studerade beteendet hos vattendroppar täckta med små pärlor. Letar efter ett enklare sätt att förstå det komplicerade problemet framför honom, han tittade på litteraturen för att hitta en modell för hur elastiska kapslar fungerar. Men han kom tom. Förvirrad och fascinerad, han tvingades ställa kapselfrågan åt sidan i några år och gå vidare till andra problem.

När han började på Pierre-Thomas Bruns Liquids and Elasticity Laboratory i Princeton, han såg det perfekta tillfället att återvända till den frågan från sitt forskararbete. När en vattenballong träffar en yta, vad händer med det elastiska skalet?

"Studien är verkligen meningsfull i det bredare sammanhanget av vätskemekanik, "sa Brun, en biträdande professor i kemisk och biologisk teknik och tidningens seniorförfattare. "Människor har i decennier krossat sina hjärnor och studerat dropppåverkan, och på något sätt fann Etienne att det fanns det här lilla pusslet som var helt orört. "

För att kontrollera experimentets parametrar, laget skräddarsydda elastiska kapslar om storleken på en tuggummi. De fyllde sedan dem till exakt kapacitet - utan att sträcka ut dem - och krossade ballongerna mot en vägg i cirka 100 miles per timme med hjälp av en liten luftkanon. Med kameran rullande vid 20, 000 bilder per sekund, forskarna kunde göra fina mätningar av det tunna skalet när det påverkade. De upprepade experimentet med två olika slags vätskor, glycerol och honung, för att se hur dynamiken förändrades med större viskositet. På nytt, analogin med flytande droppar hålls.

Teamet vände sig sedan till kommersiella vattenballonger för att se vad som händer när ett elastiskt skal sträcks med vätska, som vi vanligtvis tänker på att fylla ballonger med vatten. Inte så full att du inte kan kasta den, men tillräckligt full för att sprängas vid påverkan, blötlägga en intet ont anande vän. (Om den där vännen förblir vänlig är en annan historia). Det visar sig att det finns ett kritiskt värde vid vilket en ballong som reser med en given hastighet måste sträckas för att den ska brista. Alla som någonsin har kastat en dud, titta på det studsa av ett blivande offer och rulla tyvärr iväg, vet vikten av detta kritiska värde. Du måste antingen fylla den mer eller kasta den hårdare.

Ungefär som vi andra, när det gäller vattenballonger och deras liknande, ingenjörer har flugit blinda, enligt Brun. Dessa kritiska värden hade aldrig formaliserats.

En rad tekniker bygger på liknande vätskefyllda kapslar, och när bioingenjörsansträngningar blir allt mer sofistikerade, det antalet tekniker kommer säkert att växa. Magen, urinblåsan, lungorna, blodkroppar - många organ och viktiga biologiska funktioner är beroende av sådana tunna, expanderbara vätskefyllda kammare.

Brun och hans team har gett forskare en matematisk ram för att förstå hur dessa objekt deformeras med inverkan. Och för ingenjörerna som arbetar med dessa problem, det bästa är att ramverket redan är bekant. Det gömde sig helt enkelt för ögonen.

"Modellen är ganska enkel, "Brun sa." Men det är det som är vackert med det. "