Питання часу
Ми відповідаємо на це питання за допомогою Марка Ейхенлауба, доктора філософії, дослідника фізики та фізичної освіти в Університеті штату Меріленд. У випадку з акулою, щоб назвати проблему по імені, запахи логічно передаються в ніс тварини. Але скільки у нас часу? Припустимо, найближча акула плаває за чверть милі (приблизно в 400 метрах від нас. Цікаво, скільки часу потрібно, щоб запах нашої крові стільки подорожував у воді?
Молекули води безперервно відскакують, частково випадковим рухом. Через випадковий рух молекули, що знаходяться поблизу, з часом розходяться. Цей тип руху називається дифузією.
Запах - це просто прив’язка хімічних речовин до рецепторів у носі істоти (Акула. Ім’я цієї істоти - акула. Або барракуда. Можливо, гігантські кальмари.). Запах, за визначенням, потрапляє до акули не відразу. У цьому випадку кров повинна дифундувати, поки концентрація, виміряна на відстані від акули, не буде достатньо високою, щоб тварина відчувала себе.
Дифузна проблема
Дифузія описується рівнянням дифузії, а в даному випадку тривимірною версією, що залежить від часу. Оскільки ми працюємо з великою кількістю (на жаль, ми отримали постріл плеча, артерія не уражена, але вони нормально кровоточать), ми можемо розглядати джерело крові як точкову масу, тому можна розв’язати рівняння дифузії як Функція Гріна, яка є приблизно тривимірною функцією Гауса. Буде 2. Згідно з Вікіпедією, акули можуть розпізнати частину чогось (з крові. Це наша кров. Акули проходять відмінні тести на розпізнавання крові).
Отже, припустимо, акула знаходиться на відстані 400 метрів від нас, коли ми приземляємось, і тоді ми втрачаємо літр (кг) крові досить повільно.
За приблизним розрахунком, відстань (d), на якій молекули поширюються, залежить від квадратного кореня з часу, t = d2/D, де D - постійна дифузії. Використовуючи деяку алгебру, це те саме, що d/t = D/d, але d/t - середня швидкість (v), отже: v = D/d
Зі збільшенням відстані (d) швидкість падає. Чим більше відстань мають пройти молекули, тим повільніше вони проїдуть в середньому. У воді типова константа дифузії молекули середнього розміру становить приблизно. 5 разів на 10 - це мінус 6 на квадратних сантиметрах.
Якщо ми хочемо, щоб запах нашої крові досягав 400 метрів, або трохи 5 разів на 10 на 4 сантиметри, ми отримаємо таку швидкість: v = 5 разів на 10 при мінус 6 квадратних сантиметрах/секунду, розділену на 5 по 10 в 4 на квадратних сантиметрів, що становить = 10 у мінус 10 у сантиметрах/секунду.
Ця швидкість є несподівано і фантастично повільною, і це призведе до того, що крові знадобиться десять мільйонів років, щоб кров дісталася до акули, яка чекала лише 400 метрів.
Розмір має значення (також)
Дифузія дуже важлива для дрібних організмів, таких як бактерії, оскільки зі зменшенням наших розмірів швидкість збільшується. То чому ж так неймовірно довго йде випадковий рух, щоб розпорошити частинки по більшій області?
Візьміть дві крихітні плями океану поруч. На виїзді є пляма від води з великою кількістю крові (літак впав сюди) поруч із плямою від води з дуже малою кількістю крові. Коли частинки рухаються хаотично, багато частинок крові потрапляють у безкровну область без значної кількості зворотного потоку.
Але через деякий час кров розподіляється досить рівномірно на площі в кілька кубічних метрів. На цей час, якщо ми зважимося на невелику мірну склянку води, у ній буде майже така ж кількість крові, як у сусідній частині моря. Таким чином, випадковий рух спрямовує деякі частинки крові вліво, деякі вправо, їх об’єм майже рівний, тому рух крові дуже сильно уповільнюється.
Чим довше кров поширюється, тим рівномірніше вона розподіляється, і, отже, поширення прогресує все повільніше і повільніше в просторі, що, незважаючи на зовнішність, є для нас досить поганою новиною, оскільки акули рідко прибувають через десять мільйонів років. І це свідчить про те, що ми весь час збивалися з дороги, в основній передумові вже була помилка.
Це пов’язано з тим, що дифузія не відповідає за розповсюдження неприємних запахів на людині чи акулі. Подумайте лише над цим: якщо, наприклад, хтось у другій половині нашої кімнати розпадається, нам не потрібно чекати місяцями чи роками, щоб з’ясувати, що сталося, навіть якщо процес пройшов безшумно.
Якщо не дифузія, то хвилі
Але не. Також морські хвилі не відповідають за перенесення запахів на значні відстані. Ось малюнок того, як хвиля подорожує поверхнею води .
Суть процесу полягає в тому, що кожна точка рухається лише невеликим колом, коли хвиля проходить крізь неї (ви навіть не перетинаєте стадіон за мить на протилежному боці, коли хвиля біжить), хвилі проходять через воду без фактично вони брали б з собою воду (або молекули запаху).
І він отримує Оскар.
На практиці запах поширюється шляхом змішування або течії у воді так само, як і у повітрі. Вода завжди в русі: припливи, градієнти температури, вітер, плавання риби, сили Коріоліса тощо. вони утримують воду в русі (хоча і в різних масштабах). Під час цього руху води вона несе молекули запаху. Чим більше руху, тим швидше запах також просувається, але немає фіксованої швидкості, і насправді швидкість прогресу також буде різною в різних напрямках залежно від того, куди і як швидко рухається потік. Ось чому мисливці приділяють стільки уваги тому, куди дме вітер, оскільки вітер забирає їх запахи.