Arquivo mensais:Maio 2013

A vontade dos átomos

Rookie

Eu gostava de botânica no colégio, não sei exatamente a razão, e muitos professores tentaram me convencer a não gostar. Quando tive uma vez, em um exercício, que ordenar alguns seres vivos em escala evolutiva, coloquei a árvore em primeiro lugar, seguida do homem e do resto. Perdi pontos, fui reclamar, a professora ficou espantada com a resposta, não entendia como eu podia achar um organismo sem sistema nervoso, sem quase sistema nenhum, aliás, mais evoluído que o ser humano; e eu não conseguia entender como ela não percebia que a fotossíntese, sozinha, era mais impressionante que tudo isso.

Ainda que ela tivesse razão, plantas não possuem quase nenhum sistema, eu argumentei que elas não precisavam dessa parafernalha toda, desses adendos que criamos porque não somos capaz de transformar luz em matéria. Ainda, um detalhe nunca me convenceu: nessa ausência de sistemas, como as árvores carregam água e sais para o topo de suas copas sem qualquer sistema circulatório? Seiva e sangue me eram parecidos demais, mas a seiva parecia subir dezenas de metros magicamente, enquanto nós empurramos o sangue nos poucos metros que temos a pesadas bombeadas. Quando, no cursinho, dei vazão a essa inquietude, a resposta veio da professora de biologia: quem carrega nutrientes para o topo das árvores são a osmose e a difusão; mas isso não é resposta, é apenas um nome. A professora explicava osmose como “a tendência da água a ir do meio menos concentrado ao mais concentrado em soluto”, mas o que era isso? Ela explicava como se a molécula de água quisesse se afastar de suas companheiras, como se átomos tivessem vontade, deu-nos até uma analogia de que, em um ônibus, você sempre busca o lado mais vazio para ficar. Átomos nada querem, nada pensam e não usam transporte público, aquilo não me convencia.

E quando reclamei que aquilo não colava, que não fazia sentido, ela desdenhou. Disse que se eu não entendia aquilo, como pretendia ser físico? Calei-me com o orgulho ferido, mas hoje penso que deveria ter insistido. Era exatamente porque queria ser físico que exigia uma resposta em termos científicos, ela me respondia quase como Aristóteles, que insistia em argumentar no cansaço dos corpos durante o movimento para justificar por que um objeto desacelera enquanto anda. Hoje penso que uma resposta mais refinada ela provavelmente não tinha, esta me veio apenas muito depois, entre um curso e outro de física estatística.

Ademais, osmose não é a razão da subida da água nas árvores! As plantas são capazes de criar uma grande diferença de pressão através da evaporação, como uma bomba de água em escala microscópica, algo muito impressionante. Esse vídeo explica a questão de maneira muito linda. No seguinte do post, comento sobre a osmose. O caso da árvore não é o melhor, então esqueçamos esse exemplo por enquanto e falemos apenas em soluto andando pela água, ou da água andando de um meio a outro.

É verdade que essa parece ser a tendência da água, e de várias outras coisas. Óleo também gosta de ir do meio com muito óleo para um de pouco óleo, sódio e potássio vivem brigando para se equilibrarem em proporções em nosso cérebro, tudo o que não é sólido costuma apresentar esse comportamento. Aprendemos isso no colégio com os nomes de osmose e difusão, mas, se quer saber, acho que o conceito é mais simples que os nomes. O que não nos contam é que átomos, moléculas, gases e líquidos não querem ir para uma direção, ele vão para todas as direções possíveis, aleatoriamente. Mas, de nosso ponto de vista, parece que estão indo para uma direção específica.

Isso não é tão simples de entender. Para explicar, vou representar com alguns desenhos que deram bastante trabalho para fazer. Como eles são bem pesados, vou apenas colocar o link aqui, se eu os mostrasse na mesma página do post, não há browser que aguente.

Imagine um sistema com água de um lado e outro produto, em vermelho, de outro lado. O que vemos, de nosso ponto de vista, é uma imagem parecida com isso:

IMAGEM

O que certamente parece magia, o produto, que chamamos de soluto, sobe a coluna contrariando a gravidade. A animação é um pouco lenta, confesso, mas tenho que zelar pelo processamento de seus computadores. O que aprendemos na escola é isso: o soluto “quer” ir do meio “hipersoluto” para o meio “hiposoluto”, o vermelho que ir do meio “hipervermelho” ao “hipovermelho”, do muito vermelho ao pouco, como se quisesse se afastar de seus colegas.

Isso não poderia estar mais longe de uma explicação mal dada. O que esquecem de nos avisar no colégio é que há muito mais no meio em que a difusão acontece que apenas as bolinhas que se difundem! Faltou, por exemplo, incluir a água nessa história, e talvez o comportamento das bolinhas fique mais claro nessa nova imagem:

NOVA IMAGEM

O soluto não escala ou não invade nenhum território porque quer, pois nada querem, nada desejam, eles apenas vão para todos os lados, mas a água também vai para todos os lados! A tendência natural das coisas é, depois de tempo o suficiente, estarem completamente misturadas, não porque elas querem ir de onde há muito para onde há pouco, mas porque isso é o estatisticamente mais provável. Nessas simulações, eu apenas inseri as fórmulas matemáticas para a resolução de um problema de colisão de duas partículas e deixei rodar. Foi razoavelmente difícil, e eu poderia ter ainda otimizado mais, mas o resultado ficou bonito, fiquei orgulhoso.

E isso explica a vontade dos átomos. Eles não querem, vão para todos os lados, mas, por um fenômeno estatístico, dão a impressão de se deslocarem de onde há mais átomos para onde há menos. Os vermelhos parecem subir e os azuis parecem descer, é verdade, mas isso esconde o fato de que há também azuis subindo e há também vermelhos descendo. Ao final do dia, teremos um sistema completamente misturado.

A difusão e a osmose ocorrem na planta, claro, e é dessa maneira que os nutrientes se espalham pela seiva, mas a razão da subida da seiva não é osmose, é mais complexa. A difusão dos nutrientes pela água, que, essa sim, é sugada pelo tronco, isso é certamente difusão. Os nutrientes não escolhem se espalhar pela água, não decidem ocupar regiões de poucos nutrientes como pessoas ocupam lugares vazios no ônibus, eles apenas vão para todos os lados e, conforme a água é sugada pelo tronco, acompanham esse movimento.

Se você achou a simulação muito lenta, essa era minha intenção, a difusão é um processo bem lento. Pretendo em seguida usar essas simulações para explicar mais coisas sobre os átomos, elas deram muito trabalho e pretendo capitalizar nesse algorítmo. Enquanto isso, divirtam-se com esse hipnotizante balé dos átomos, acompanhando um deles na aventura, divertindo-se enquanto ele, indo para todos os lados, encontra outros, rebate, sobe e desce, ainda que contra sua vontade.


Bonus Round: Se você gostou das animações, brinque com elas. Usando o mouse, você pode empurrar bolinhas e, em uma linguagem física adequada, acelerando uma, você aumenta a temperatura de todo o sistema!