Cómo realizar un experimento científico

La experimentación es el método por el cual los científicos analizan los fenómenos naturales con la esperanza de obtener conocimientos nuevos. Los buenos experimentos siguen un diseño lógico para aislar y probar variables definidas de forma precisa y específica. Al aprender los principios fundamentales del diseño experimental, luego podrás aplicarlos a tus propios experimentos. Independientemente de su alcance, todos los experimentos de calidad operan de acuerdo a los principios lógicos y deductivos del método científico, desde el reloj impulsado por papas de la feria de ciencias de quinto grado hasta las investigaciones de vanguardia relacionadas con el bosón de Higgs.

Diseña un experimento científicamente válido

  1. Elige un tema específico. Los experimentos cuyos resultados provocan cambios radicales en el paradigma científico son muy, muy raros. La gran mayoría de los experimentos responden preguntas pequeñas y específicas. El conocimiento científico se construye a partir de la acumulación de datos de incontables experimentos. Elige un tema o una pregunta sin respuesta que tenga un alcance pequeño y comprobable.
    • Por ejemplo, si quieres hacer un experimento con fertilizantes agrícolas, no intentes responder la pregunta, "¿Qué tipo de fertilizante es el mejor para las plantas en crecimiento?" Existen muchos tipos diferentes de fertilizantes y de plantas en el mundo, por lo que un experimento no será capaz de extraer conclusiones universales al respecto. Una pregunta mucho más adecuada para diseñar un experimento sobre esto sería "¿Qué concentración de nitrógeno en el fertilizante produce los cultivos de maíz más grandes?".
    • El conocimiento científico moderno es muy, muy amplio. Si vas a hacer una investigación científica seria, investiga acerca de tu tema con profundidad incluso antes de comenzar a planificar tu experimento. ¿Existen experimentos pasados que hayan respondido la pregunta que quieres estudiar con tu experimento? Si es así, ¿existe una forma de ajustar el tema para que aborde preguntas que aún no han sido contestadas por la investigación existente?
  2. Aísla tus variables. Los experimentos científicos de calidad prueban parámetros específicos y medibles llamados variables. En términos generales, un científico realiza un experimento para un rango de valores de la variable que está estudiando. Un asunto importante cuando se realiza un experimento es ajustar únicamente las variables específicas que estás estudiando (y no el resto de las variables).
    • Por ejemplo, en nuestro caso de los fertilizantes, nuestro científico cultivaría varios cultivos de maíz en un suelo con fertilizantes cuya concentración de nitrógeno sea diferente. Él debería darle a cada cosecha de maíz exactamente la misma cantidad de fertilizante. Luego debería asegurarse de que la composición química de los fertilizantes que utilizó no difiera en nada a excepción de su concentración de nitrógeno. Por ejemplo, no debería usar un fertilizante con una concentración de magnesio más alta que el resto. Además, debería cultivar exactamente la misma cantidad y especies de cultivos de maíz al mismo tiempo y en el mismo tipo de suelo cada vez que repita el experimento.
  3. Construye una hipótesis. Una hipótesis es básicamente una predicción del resultado del experimento. No debe ser una suposición a ciegas, las buenas hipótesis deben estar apoyadas por investigación que realizaste al momento de elegir el tema del experimento. Basa tu hipótesis en los resultados de experimentos similares realizados por colegas o, si estás enfrentando un problema que no ha sido estudiado de forma profunda, básala en la combinación de la investigación bibliográfica y en la observación que puedas realizar. Recuerda que a pesar de que tu trabajo de investigación sea el mejor, aun así tu hipótesis puede ser incorrecta. Si sucede esto, no habrás perdido el tiempo, ya que ampliarás tu conocimiento al probar que tu predicción fue incorrecta.
    • Normalmente, una hipótesis se expresa como una frase declarativa cuantitativa. Una hipótesis también tiene en cuenta las formas en que se medirán los parámetros experimentales. Una buena hipótesis para nuestro ejemplo del fertilizante es: "los cultivos de maíz suplementados con 450 gramos (una libra) de nitrógeno por cada 25 kilogramos (un bushel) darán como resultado una masa de rendimiento mayor que los cultivos de maíz equivalentes cultivados con suplementos de nitrógeno diferentes".
  4. Planifica tu recolección de datos. Debes saber de antemano cuándo vas a recolectar los datos y qué tipo de datos vas a reunir. Mide estos datos en un tiempo establecido o, en otros casos, a intervalos regulares. En nuestro experimento del fertilizante, por ejemplo, se medirá el peso de los cultivos de maíz (en kilogramos) luego de establecer un período de crecimiento. Se comparará esto con el contenido de nitrógeno del fertilizante con el que se trató a cada cultivo. Para otros experimentos (como aquellos que miden el cambio de una variable a lo largo del tiempo), es necesario recolectar datos a intervalos regulares.
    • Hacer una tabla de datos antes de empezar es una gran idea. Con esta tabla solo deberás colocar los valores de tus datos a medida que los documentas.
    • Aprende a diferenciar las variables dependientes de las independientes. Una variable independiente es aquella que al cambiar afecta a una variable dependiente. En nuestro ejemplo, el "contenido de nitrógeno" es una variable independiente y el "rendimiento (en kilogramos)" es la variable dependiente. Una tabla básica tendrá columnas para ambas variables a medida que cambian a lo largo del tiempo.
  5. Lleva a cabo tu experimento de forma metódica. Realiza tu experimento y estudia tus variables. Esto casi siempre requiere realizar el experimento varias veces para obtener valores de variables diferentes. En nuestro ejemplo del fertilizante, se cultivarán varios cultivos de maíz idénticos suplementados con fertilizantes que contienen cantidades de nitrógenos diferentes. Generalmente, mientras mayor sea el rango de datos que puedas reunir, mejor. Documenta tantos datos como te sea posible.
    • Un buen diseño experimental incorpora lo que se conoce como control. Una de tus réplicas experimentales no debe incluir la variable que estás estudiando para el resto de las réplicas. En nuestro ejemplo del fertilizante, se incluirá una cosecha de maíz que no reciba nitrógeno. Esta será la réplica de control y servirá como base para medir el crecimiento del resto de los cultivos.
    • Observa todas y cada una de las medidas de seguridad asociadas con materiales o procesos peligrosos en tu experimento.
  6. Reúne tus datos. De ser posible, documenta tus datos directamente en tu tabla. Esto te ahorrará el dolor de cabeza de volver a ingresar y consolidar los datos más tarde. Aprende a evaluar los valores atípicos de tus datos.
    • Si puedes hacerlo, siempre es recomendable representar tus datos de forma visual. Dispone los puntos de los datos en un gráfico y expresa las tendencias con la línea o curva que mejor se ajuste. Esto te ayudará (y a cualquier otra persona que vea el gráfico) a visualizar patrones dentro de los datos. Para la mayoría de los experimentos básicos, la variable independiente se representa en el eje horizontal x y la variable dependiente en el eje vertical y.
  7. Analiza tus datos y llega a una conclusión. ¿Tu hipótesis fue correcta? ¿Hubo tendencias observables en los datos? ¿Encontraste algún dato inesperado? ¿Tienes alguna pregunta sin responder que pudiera servir como base para un experimento futuro? Intenta responder estas preguntas a medida que evalúas tus resultados. Si tus datos no le dan a tu hipótesis un "sí" o un "no" definitivo, considera llevar a cabo ensayos experimentales adicionales y reunir más datos.
    • Para compartir tus resultados, escribe un artículo científico exhaustivo. Saber cómo escribir un ensayo científico es una habilidad muy útil. Los resultados de la gran mayoría de las investigaciones recientes se deben escribir y publicar siguiendo ciertas especificaciones.

Realiza un experimento a modo de ejemplo

  1. Elige un tema y define tus variables. Para los propósitos de este ejemplo, se elegirá un experimento simple y a pequeña escala. En este experimento, se analizarán los efectos de diferentes combustibles en aerosol en el rango de tiro de un lanzador de papas.
    • En este caso, el tipo de combustible en aerosol utilizado es la variable independiente (la variable que se modifica), mientras que el rango de los proyectiles es la variable dependiente.
    • Cosas a considerar para este experimento: ¿existe una forma de asegurarse de que cada proyectil de papa tiene el mismo peso? ¿Existe una forma de administrar la misma cantidad de combustible en aerosol para cada disparo? Estos aspectos pueden afectar el rango de disparo del lanzador. Pesa cada proyectil antes realizar el experimento y carga cada disparo con la misma cantidad de aerosol.
  2. Crea la hipótesis. Si vas a probar con aerosol para el cabello, aerosol de cocina y pintura en aerosol, digamos que el aerosol para el cabello tiene un propulsor con una cantidad de butano mayor que los otros aerosoles. Debido a que el butano es inflamable, es posible plantear la hipótesis de que el aerosol para el cabello producirá una fuerza propulsiva mayor al hacer ignición, enviando el proyectil de papa más lejos. La hipótesis debería escribirse de la forma: "El alto contenido de butano del aerosol propulsor en el aerosol para el cabello va a producir, en promedio, un rango más largo cuando se dispare un proyectil de papa que pese entre 250 y 300 gramos".
  3. Organiza tu colección de datos de antemano. En este experimento, se probará cada combustible en aerosol 10 veces y se promediarán los resultados. También se probará un combustible en aerosol que no contenga butano y se utilizará como control experimental. Para prepararse, se ensamblará el lanzador de papas, se probará para asegurarse de que funcione, se comprará el aerosol y se cortarán y medirán las papas.
    • También se creará una tabla. Esta tendrá cinco columnas verticales:
      • La columna del extremo izquierdo se llamará "Prueba #". Las celdas en esta columna simplemente contendrán los números del 1 al 10, representando cada intento de disparo.
      • Las siguientes cuatro columnas tendrán el nombre del aerosol que se utilizará para el experimento. Las diez celdas que se encuentran por debajo de la cabecera de cada columna contendrán el rango (en metros) de cada intento de disparo.
      • Debajo de las cuatro columnas para cada combustible, deja un espacio para escribir el valor promedio de los rangos.
  4. Lleva a cabo el experimento. Se utilizará cada aerosol para disparar diez proyectiles, usando la misma cantidad de aerosol para cada disparo. Luego de cada disparo, se utilizará una cinta métrica para medir el rango que viajó el proyectil. Luego se documentará esta información en la tabla de datos.
    • Al igual que en muchos experimentos, este experimento tiene ciertos problemas de seguridad a tener en cuenta. El combustible en aerosol que se utiliza es inflamable, por lo que es necesario asegurarse de cerrar la tapa de disparo del lanzador de papas de forma segura y de utilizar guantes gruesos mientras se encienda el combustible. Para evitar lesiones accidentales con los proyectiles, también es necesario asegurarse de estar (y cualquier observador) a los costados del lanzador, no delante ni detrás de este.
  5. Analiza los datos. Digamos que se encontró, en promedio, que el aerosol para el cabello arroja las papas más lejos que los otros, pero el aerosol para cocina fue el más consistente. Es posible representar estos datos de forma visual. Una buena forma de representar el rango promedio para cada aerosol es con un gráfico de barras, mientras que los diagramas de dispersión son útiles para mostrar la variación de los rangos en cada disparo.
  6. Saca tus conclusiones. Reflexiona sobre los resultados de tu experimento. Basándote en los datos, se puede decir con seguridad que la hipótesis era correcta. También se puede decir que se descubrió algo que no se predijo, que el aerosol de cocina produce los resultados más consistentes. Es posible realizar un informe sobre cualquier problema o error cometido. Digamos que la pintura de la pintura en aerosol se acumuló en el interior de la cámara de combustión del lanzador de papas, dificultando la capacidad para realizar tiros sucesivos. Por último, se pueden recomendar áreas para investigaciones futuras, por ejemplo, tal vez con una cantidad de combustible mayor se logren mejores rangos.
    • Incluso se pueden compartir los resultados con el mundo a través de un ensayo científico. Teniendo en cuenta el tema de este experimento, quizás sea más apropiado presentar esta información en un tríptico para exhibir en una feria de ciencias.

Consejos

  • Diviértete y mantente seguro.
  • La ciencia se trata de hacer preguntas importantes. No tengas miedo de elegir un tema que no hayas mirado antes.

Advertencias

  • Usa protección para los ojos
  • Si algo se mete en tus ojos lávalos a fondo con agua durante al menos 5 minutos.
  • No dejes alimentos ni bebidas cerca de tu lugar de trabajo.
  • Lava tus manos antes y después del experimento.
  • Cuando uses cuchillos afilados, químicos peligrosos o llamas muy calientes, asegúrate de estar bajo la supervisión de un adulto.
  • Usa guantes de goma cuando manipules productos químicos.
  • Recógete el pelo antes de comenzar
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