Състезание с дифузията

Молекулите се лутат

Молекулите във водата и във въздуха се блъскат една в друга милиарди пъти в секунда. Всяка прави случайни стъпки – напред, назад, встрани. Една молекула не знае къде са другите и не „иска“ да отиде никъде.

И все пак капка боя се разпръсква от гъстото към рядкото. Причината е проста: от мястото, където молекулите са много, излизат повече, отколкото влизат. Това разпръскване се нарича дифузия.

Те не спират. Когато боята се разпредели равномерно, молекулите продължават да се лутат. Просто колкото излизат от едно място, толкова влизат в него.

Два пъти по-далеч – четири пъти по-дълго

Най-важното правило на дифузията: времето расте с квадрата на разстоянието. При два пъти по-голямо разстояние молекулите се лутат около четири пъти по-дълго, при три пъти – девет пъти, при десет пъти – сто пъти.

• Кислородът се разпръсква в една клетка (10 µm) за около 24 милисекунди.
• През тъкан с дебелина 1 mm – за около 4 минути.
• През 1 cm вода или тъкан – за около 6,6 часа.
• През стая от 5 m във въздуха – за около 7 дни, а във вода – за около 190 години.

Във въздуха дифузията е около 10 000 пъти по-бърза, отколкото във вода. Но и така тя е безнадеждно бавна на големи разстояния.

А миризмата от кухнята? Тя стига за секунди, защото я носи въздухът, който се движи. Самата дифузия през стая би отнела дни. Затова твърдението „миризмата стига за секунди само с дифузия“ е невярно.

Защо плоските червеи са плоски

Животно без кръв диша само през кожата си. Кислородът трябва да стигне чак до средата, преди клетките да изразходват запаса си. При обикновено активно животно той прониква само около 0,65 mm навътре от всяка страна – затова плоското тяло може да е дебело най-много около 1,25 mm.

• Важна е дебелината, не размерът. Плоското животно може да е дълго колкото пръст, стига да е тънко.
• Кълбото е лош избор: до средата му пътят е дълъг, затова живо кълбо е най-много около 6 mm³.
• По-активното животно изразходва кислорода по-бързо и трябва да е по-тънко, а бавното в хладна вода може да е по-дебело.

Затова големите животни имат кръв, която носи кислорода близо до всяка клетка. Дифузията прави само последната, най-късата крачка.

Как се проверява твърдение

За да провериш правилото „два пъти по-далеч – четири пъти по-дълго“, сравнението трябва да е честно: еднаква среда, еднакъв брой молекули и еднаква стъпка. Мени се само дължината.

Какво опростява симулацията

• Молекулите стъпват по решетка, а не се движат като истинските. Поведението е същото: времето расте с квадрата на разстоянието.
• Няма течения: водата е спокойна, а въздухът не се движи. В истинската стая въздухът винаги се движи.
• Числата са за кислород при 25 °C. Молекулите на ароматите са по-големи и дифундират още по-бавно.
• В тъканта дифузията е по-бавна, отколкото в чиста вода, затова истинската граница на дебелината е още по-малка.

Опит у дома и безопасност

• Капни хранителна боя в чаша спокойна вода и не разбърквай. Следи докъде стига цветът за 1 минута и за 10 минути. Не пий оцветената вода.
• Не мирише непознати вещества направо от шишето. Ако трябва да усетиш миризма, движи въздуха с ръка към носа си отдалеч.
• Не пръскай парфюм в затворена стая и към лицето на друг човек: някои хора имат алергия или астма.