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
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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?
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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.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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".
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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.
- Criemos também a tabela de dados, antecipadamente. Teremos cinco colunas verticais:
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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.
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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.
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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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