Como Conduzir um Experimento Científico

A experimentação é o método pelo qual cientistas testam fenômenos naturais com a esperança de ganhar novos conhecimentos. Bons experimentos seguem um desenho lógico para isolar e testar variáveis específicas e precisamente definidas. Ao aprender os princípios fundamentais por trás do desenho experimental, você poderá aplicá-los aos seus próprios. Independentemente de seu escopo, todos os bons experimentos operam de acordo com os princípios lógicos e dedutivos do método científico, desde aqueles presentes na feira de ciências da quinta série, com o relógio de batata, à mais avançada pesquisa relacionada ao bóson de Higgs.

Projetando um Experimento Cientificamente São

  1. Escolha um tema específico. Experimentos cujos resultados causam grandes alterações no paradigma científico são muito, muito raros. A vasta maioria de experimentos responde a perguntas pequenas, específicas. O conhecimento científico é construído sobre o acúmulo de dados advindos de incontáveis experimentos. Escolha um tema ou uma pergunta ainda não respondida, com um escopo pequeno e testável.
    • Por exemplo, se você deseja realizar um experimento relacionado a fertilizantes agropecuários, não tente responder à pergunta "Qual tipo de fertilizante é o melhor para o crescimento das plantas?". Pode haver muitos tipos diferentes de fertilizante e muitos tipos diversos de plantas no mundo — e um experimento não será capaz de resultar em conclusões universais a respeito de qualquer delas. Uma pergunta muito melhor a fim de projetar um experimento seria "Qual concentração de nitrogênio em fertilizantes produz as maiores safras de milho?".
    • O conhecimento científico moderno é muito, muito vasto. Se você tem a intenção de fazer pesquisas científicas sérias, pesquise a respeito de seu tema extensivamente antes de sequer começar a planejar o experimento. Ainda, experimentos passados já chegaram a responder à pergunta que o seu irá estudar? Se sim, há alguma forma de ajustar o seu tema de modo que ele se ocupe das perguntas ainda não respondidas por pesquisas preexistentes?
  2. Isole as variáveis. Bons experimentos científicos testam parâmetros específicos e mensuráveis chamados de variáveis. Em termos gerais, um cientista realiza um experimento em uma amplitude de valores da variável em questão. Uma preocupação vital ao realizar um experimento é ajustar somente as variáveis específicas relativas ao teste (e nenhuma outra).
    • Por exemplo, em nosso exemplo do fertilizante, o nosso cientista cultivará diversas safras de milho em solo suplementado com fertilizantes com diferente concentração de nitrogênio. Ele daria a cada safra a exata mesma quantidade de fertilizante. Ele, então, se asseguraria de que a composição química de seus fertilizantes não difira em qualquer outra forma exceto em sua concentração de nitrogênio — por exemplo, ele não usaria um fertilizante com maior concentração de magnésio em uma de suas safras. Ele ainda cultivaria o exato mesmo número e tipo de espécie de sementes de milho ao mesmo tempo e no mesmo tipo de solo a cada replicação de seu experimento.
  3. Elabore uma hipótese. Uma hipótese é, essencialmente, uma predição dos resultados do experimento. Ela não deve ser uma mera especulação cega — boas hipóteses são informadas pela pesquisa de fundo realizada durante a escolha do tema em questão. Baseie a sua hipótese nos resultados de experimentos similares conduzidos por estudiosos em seu campo, ou, se você estiver lidando com um problema ainda não bem estudado, baseie-a em quaisquer combinações de pesquisa literária e observação registrada que for possível encontrar. Lembre-se que, apesar de seus melhores trabalhos de pesquisa, a hipótese pode muito bem ser provada errada — em cujo caso, você ainda expandiu o seu conhecimento no sentido de que provou que a predição em destaque não era correta.
    • Tipicamente, uma hipótese é expressa como uma sentença declarativa quantitativa. Ela pode levar em conta as formas em que os parâmetros experimentais serão mensurados. Uma boa hipótese para o nosso exemplo é: "Safras de milho suplementadas com 450 g de nitrogênio por alqueire resultará em uma maior produção em massa do que o equivalente a safras de milho cultivadas com diferentes suplementações de nitrogênio".
  4. Planeje a coleta de seus dados. Conheça de antemão quando você coletará dados e que tipo de dados serão coletados. Meça esses dados em um determinado momento ou, em outros casos, a intervalos regulares. Em nosso experimento, por exemplo, mediremos o peso de nossas safras de milho (em quilogramas) depois de um período de crescimento definido. Compararemos esse valor ao nível de nitrogênio presente no fertilizante com o qual cada safra foi tratada. Em outros experimentos (como aqueles que medem a mudança de certa variável ao longo do tempo), é necessário coletar dados a intervalos regulares.
    • Fazer uma tabela de dados antecipadamente é uma ótima ideia — você poderá simplesmente inserir os valores de dados nos campos determinados à medida que os registra.
    • Saiba a diferença entre as suas variáveis dependentes e independentes. Uma variável independente é aquela que você pode alterar, e a dependente é aquela que é afetada pela variável independente. Em nosso exemplo, o "nível de nitrogênio" é a variável independente, e a "produção (em quilogramas)" é a variável dependente. Uma tabela básica terá colunas para ambas as variáveis, à medida que mudam ao longo do tempo.
  5. Conduza o seu experimento metodicamente. Realize o experimento, testando para as suas variáveis. Isso quase sempre lhe requer fazer o mesmo experimento múltiplas vezes com múltiplas configurações de variáveis. Em nosso exemplo, cultivaremos diversas safras de milho idênticas, suplementando-os com fertilizantes contendo diversas quantidades de nitrogênio. Geralmente, quanto mais amplo o escopo de dados que você puder coletar, melhor. Registre tantos dados quanto exequível.
    • Bons desenhos experimentais incorporam o que é chamado de controle. Uma de suas replicações experimentais não deve incluir a variável em questão no teste. Em nosso exemplo, incluiremos uma safra que receberá fertilizante sem qualquer concentração de nitrogênio. Esse será o nosso controle — ela será a linha de base contra a qual mediremos o crescimento de todas as outras safras.
    • Observe toda e qualquer medida de segurança associada a materiais ou processos nocivos em seu experimento.
  6. Colete os seus dados. Registre os dados diretamente em sua tabela, se possível — isso lhe poupará a dor de cabeça de reinserir e consolidar dados no futuro. Saiba como avaliar discrepâncias em seus dados.
    • É sempre boa ideia representar os seus dados visualmente, se possível. Coloque pontos de dados em um gráfico e expresse tendências com a linha ou curva mais adequada à situação. Isso lhe ajudará (e a qualquer um que veja o gráfico) a visualizar os padrões nos dados. Para a maioria dos experimentos básicos, a variável independente está representada no eixo horizontal x, e a variável dependente no eixo vertical y.
  7. Analise os seus dados e chegue a uma conclusão. A sua hipótese estava correta? Houve quaisquer tendências observáveis nos dados? Você encontrou valores inesperados? Há quaisquer perguntas não respondidas que possam formar a base para futuros experimentos? Tente responder a essas perguntas à medida que avalia seus resultados. Se os seus dados não dão à hipótese um "sim" ou "não" definitivo, considere realizar tentativas experimentais adicionais e coletar mais dados.
    • Para compartilhar os seus resultados, escreva um relatório científico detalhado. Saber como escrever um relatório científico é uma habilidade bastante útil — os resultados da maioria das novas pesquisas devem ser escritos e publicados de acordo com um formato específico.

Realizando um Experimento de Exemplo

  1. Escolha um tema e defina as suas variáveis. Para fins do presente exemplo, escolheremos um experimento simples e de pequena escala. Em nosso experimento, testaremos os efeitos de diversos combustíveis aerossol ao alcance de uma pistola de batatas.
    • Nesse caso, o tipo de combustível aerossol utilizado será a variável independente (aquela que alteramos), enquanto que o alcance do projétil será a variável dependente.
    • Coisas a se considerar no presente experimento: Há uma forma de assegurar-se de que cada projétil/batata tenha o mesmo peso? Há uma forma de administrar a mesma quantidade de combustível aerossol em cada disparo? Ambas podem potencialmente afetar o alcance da arma. Pese a cada projétil de antemão e deposite combustível antes de cada disparo com a mesma quantidade de spray aerossol.
  2. Elabore uma hipótese. Se estamos testando spray para cabelo, spray de cozinha e tinta em spray, digamos que o spray para cabelo tem um propelente aerossol com maior quantidade de butano do que os outros sprays. Uma vez que sabemos que o butano é um gás inflamável, podemos elaborar a hipótese de que o spray para cabelo produzirá uma maior força propulsora ao ser inflamado, enviando o projétil/batata mais longe. Escreveríamos a nossa hipótese como o seguinte: "O mais elevado nível de butano no propelente aerossol presente no spray para cabelo resultará, em média, em um alcance maior ao disparar um projétil/batata com peso entre 250 e 300 gramas".
  3. Organize a sua coleção de dados antecipadamente. Em nosso experimento, testaremos cada combustível aerossol 10 vezes e calcularemos a média dos resultados. Testaremos ainda um combustível aerossol que não contem qualquer traço de butano, como controle experimental. Na preparação, ajuntaremos a nossa pistola de batatas, a testaremos para garantir o seu funcionamento, compraremos os sprays aerossol e pesaremos cada projétil/batata.
    • Criemos também a tabela de dados, antecipadamente. Teremos cinco colunas verticais:
      • A coluna mais à esquerda será denominada "Tentativa #". As células nessa coluna simplesmente conterão os números 1 a 10, significando cada tentativa de disparo.
      • As seguintes quatro colunas serão denominadas com os nomes dos sprays aerossol usados no experimento. As dez células por baixo de cada título de coluna conterão o alcance (em metros) de cada tentativa de disparo.
      • Abaixo das quatro colunas para cada combustível, deixe um espaço para escrever o valor médio dos alcances.
  4. Conduza o experimento. Utilizaremos cada spray aerossol para disparar 10 projéteis, com a mesma quantidade de combustível para cada disparo. Após cada disparo, usaremos uma longa fita métrica para mensurar o alcance do projétil. Registre esse dado na tabela de dados.
    • Como em diversos experimentos, o nosso possui certas questões de segurança que devem ser observadas. Os combustíveis aerossol que estamos utilizando são inflamáveis — é preciso que nos asseguremos de fechar a tampa da pistola de batatas de forma segura e de usar luvas pesadas enquanto inflamamos o combustível. Para evitar lesões acidentais advindas dos projéteis, devemos também nos assegurar de que nós (e quaisquer observadores) estejamos lateralmente à pistola durante o disparo — não à frente ou atrás dela.
  5. Analise os dados. Digamos que descobrimos que, em média, o spray para cabelo levou as batatas para mais longe, enquanto que o spray de cozinha foi o mais consistente. Podemos representar esses dados visualmente. Uma boa forma de representar o alcance médio para cada spray é um gráfico em barras, embora um gráfico de dispersão é uma boa forma de exibir as variações no alcance de disparo de cada combustível.
  6. Elabore as suas conclusões. Reflita sobre os seus resultados experimentais. Com base em nossos dados, podemos afirmar confiadamente que descobrimos algo que não pudemos prever — que o spray de cozinha produziu os resultados mais consistentes. Podemos relatar quaisquer problemas ou excentricidades que tivermos descoberto — digamos que a tinta presente na tinta em spray se acumulou dentro da câmara de disparo da pistola de batatas, tornando difícil fazê-lo repetidamente. Finalmente, podemos recomendar áreas para futuras pesquisas — por exemplo, talvez com maiores quantidades de combustível, podemos alcançar um maior alcance.
    • Podemos até mesmo compartilhar os nossos resultados com o mundo, na forma de relatório científico — dado o tema presente em nosso experimento, pode ser mais apropriado apresentar essas informações no stand de uma feira de ciências.

Dicas

  • Ciência se trata de fazer grandes perguntas. Não tenha medo de escolher um tema que você ainda não pesquisou.
  • Divirta-se e mantenha-se em segurança.

Avisos

  • Use proteção para os olhos.
  • Se qualquer coisa entrar em seus olhos, lave-os com água corrente por pelo menos 5 minutos.
  • Não deixe alimentos ou bebidas próximos à sua estação de trabalho.
  • Lave as mãos antes e após qualquer experimento.
  • Ao usar facas afiadas, químicos perigosos ou chamas quentes, assegure-se de ter um adulto que lhe supervisione.
  • Use luvas de borracha ao lidar com produtos químicos.
  • Prenda cabelos soltos para trás.
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