Ce este Mișcarea Browniană și cum influențează lumea în care trăim?

Mișcarea browniană este mișcarea aleatorie a particulelor dintr-un fluid, cauzată de ciocnirile acestora cu atomii și moleculele din mediu. Acest fenomen mai este cunoscut și sub numele de pedesis, termen derivat din grecescul care înseamnă „salt”.

Chiar dacă o particulă este mare în comparație cu atomii și moleculele din jur, numeroasele coliziuni cu aceste mase mici și rapide o pot determina să se miște în mod imprevizibil. Mișcarea browniană oferă o imagine la scară macro a influenței proceselor aleatorii microscopice.

Mișcarea browniană: originea conceptului

Mișcarea browniană poartă numele botanistului scoțian Robert Brown, care, în anul 1827, a observat particulele de polen mișcându-se aleatoriu în apă. Deși a descris fenomenul, nu a reușit să-l explice.^[sursa]

Totuși, observația acestui tip de mișcare datează din Antichitate. Poetul roman Lucrețiu, în jurul anului 60 î.Hr., a descris mișcarea particulelor de praf, folosind-o ca dovadă a existenței atomilor.

Fenomenul a rămas un mister până în anul 1905, când Albert Einstein a demonstrat că polenul este mișcat de moleculele de apă din lichid. La acea vreme, existența atomilor și moleculelor era doar o ipoteză teoretică, iar lucrarea sa a oferit o dovadă indirectă a realității acestora.

În anul 1908, Jean Perrin a verificat experimental ipoteza lui Einstein, ceea ce i-a adus Premiul Nobel pentru Fizică în anul 1926, „pentru munca sa privind structura discontinuă a materiei”.

Importanța matematică a mișcării browniene

Mișcarea browniană este esențială nu doar în fizică și chimie, ci și în studiul fenomenelor statistice.

Primul model matematic al mișcării browniene a fost propus de Thorvald N. Thiele în anul 1880, într-o lucrare despre metoda celor mai mici pătrate.

Ulterior, un model modern a fost dezvoltat sub forma procesului Wiener, numit după Norbert Wiener, care a descris acest fenomen ca un proces stohastic în timp continuu.

Mișcarea browniană este considerată un proces gaussian și un proces Markov cu traiectorie continuă, ceea ce înseamnă că evoluția sa viitoare depinde doar de starea prezentă, nu și de stările anterioare.

Ce este mișcarea browniană?

Mișcarea atomilor și moleculelor dintr-un lichid sau gaz este aleatorie, ceea ce determină dispersia uniformă a particulelor mai mari în mediu.

Dacă două regiuni adiacente conțin un număr diferit de particule — de exemplu, regiunea A are de două ori mai multe particule decât regiunea B — probabilitatea ca o particulă să se deplaseze din A în B este de două ori mai mare decât invers.

Acest fenomen explică difuzia, procesul prin care particulele se deplasează dintr-o zonă cu concentrație mai mare într-una cu concentrație mai mică, fiind un exemplu macroscopic de mișcare browniană.

Ce factori influențează mișcarea browniană?

Orice factor care afectează mișcarea particulelor într-un fluid influențează și intensitatea mișcării browniene. Printre acești factori se numără:

• Temperatura ridicată – accelerează mișcarea particulelor;
• Concentrația mai mare de particule – intensifică interacțiunile;
• Dimensiunea mică a particulelor – permite mișcare mai rapidă;
• Vâscozitatea scăzută a fluidului – reduce rezistența la mișcare.

Exemple de mișcare browniană

Majoritatea fenomenelor de transport din natură prezintă atât curenți de amploare mai mare, cât și mișcare browniană. Câteva exemple includ:

• Mișcarea boabelor de polen pe suprafața apei;
• Particulele de praf care plutesc într-o cameră (deși sunt influențate și de curenții de aer);
• Difuzia poluanților în atmosferă;
• Circulația calciului prin țesuturile osoase;
• Mișcarea „găurilor” de sarcină electrică în semiconductori.

Importanța mișcării browniane

Inițial, descrierea acestui fenomen a fost esențială pentru validarea teoriei atomice moderne.

Astăzi, modelele matematice care explică mișcarea browniană sunt utilizate într-o gamă largă de domenii, inclusiv fizică, chimie, biologie, economie, inginerie și matematică, fiind fundamentale pentru înțelegerea proceselor aleatorii.

Mișcarea browniană vs. motilitate

În biologie, poate fi dificil să se facă distincția între mișcarea browniană și motilitatea, aceastea fiind definită drept capacitatea unei celule sau a unui microorganism de a se deplasa activ.

• Mișcarea browniană este sacadată, aleatorie și apare ca o vibrație fără direcție clară;
• Motilitatea implică o traiectorie definită și mișcări controlate, de exemplu prin cilia sau flageli.

În microbiologie, motilitatea este confirmată printr-un test specific: dacă un microorganism inoculat într-un mediu semisolid migrează departe de linia de înțepare, înseamnă că are capacitatea de a se deplasa activ.