Como fazer um bom Experimento?

Escrito por Lucas Aratake e Heitor Emídio

A IYPT, por ser uma olimpíada científica que busca avaliar a capacidade dos seus participantes de compreender e desenvolver física de maneira holística com relação ao método científico, requer conhecimentos que vão além dos que se obtém apenas lendo e escrevendo artigos. Nessa competição, colocar a mão na massa e confrontar previsões e teorias com a realidade de maneira precisa é uma parte relevante da competição que pode fazer toda a diferença no desempenho de sua equipe.

Mas, será que fazer um experimento é simplesmente montar determinado sistema físico e anotar dados? O que são conceitos centrais da metodologia experimental como incertezas, erros? Como se encaixam experimentos com outras partes da análise científica? Por que fazer um experimento?

A resposta para todas essas perguntas e as informações necessárias para fazer experimentais dignas de final estão compiladas nesse artigo.

Recapitulação do Método Científico

Com o surgimento da ciência e os benefícios da inovação científica surgiu uma necessidade de padronização para legitimar as descobertas científicas. Essa necessidade foi suprida pelo método científico, processo padrão pelo qual todos os cientistas investigam e atestam sobre a natureza.

O método consiste em 7 diferentes passos que são interdependentes, sendo eles:

• Observação: Indicar que existe um fenômeno (escolhidos pela lista de problemas)
• Pergunta: Formular uma pergunta sobre o que foi observado (geralmente presente nos comandos do enunciado)
• Hipótese: Estipular uma possível resposta que indique a causa do fenômeno acontecer (Primeiro passo da formulação teórica)
• Experimento: Teste realizado para validar ou não a hipótese
• Análise de dados: Confrontar dados da previsão teórica com os resultados dos experimentos (comparação teórico experimental)
• Conclusão: Verificar se a hipótese é ou não satisfatória
• Comunicação dos resultados: Compartilhar a possível descoberta com outros

Uma boa apresentação da IYPT apresenta aspectos relacionados a todos esses tópicos, de maneira a abordar a investigação dos fenômenos propostos de maneira completa. O quarto passo, que será abordado nesse artigo, depende de alguns fatores para ser bem executado. Em resumo, uma boa experimental deve satisfazer os seguintes requisitos:

• Repetição e Reprodutibilidade: O mesmo experimento deve ser realizado várias vezes com as mesmas condições iniciais e deve apresentar os mesmos resultados, de maneira a comprovar a precisão do aparato experimental.
• Controle de Variáveis: Os experimentos devem alterar apenas o necessário e almejado, evitando a influência indesejada de outras variáveis que poderiam induzir mudanças não planejadas nos resultados que, por sua vez, reduzem a precisão dos experimentos.
• Amostragem Adequada: Os experimentos devem ser realizados com o maior número possível de variáveis e com a maior gama possível de possibilidades para cada uma delas. Isso é necessário pois grande parte dos experimentos físicos não apresentam um resultado padrão e um comportamento pode mudar drasticamente mesmo com pequenas alterações das condições iniciais. Essa amostragem depende muito, mas deve ser suficiente para analisar os parâmetros individualmente, ou seja, para comprovar como determinado fator altera o resultado do experimento.
• Análise Estatística Apropriada: Devem ser empregadas ferramentas da estatística para a criação de gráficos e análise dos resultados, coerente com os métodos de precisão utilizados, com aspectos como incertezas atreladas ou o erro observado nos experimentos.

Agora que a importância desse método e, mais especificamente, da metodologia experimental ficou clara dentro da ciência e, consequentemente, na IYPT, as próximas seções entrarão em detalhes sobre como pode se atingir a excelência nesse passo, com aspectos práticos para montar sua experimental com materiais acessíveis.

Interpretação do Enunciado

Frequentemente, decidir quais dados são importantes é um dos aspectos centrais da experimental, uma vez que, além de fundamental para responder o enunciado, corresponde a uma das principais atas de avaliação tanto dos fights quanto dos relatórios. Dado a importância dessa etapa e da frequência de erros atrelados a ela, descreveremos como realizar essa interpretação.

Tomemos alguns exemplos de comandos mais comuns em problemas da IYPT:

“A partir de uma folha de papel dobrada e/ou cortada, faça um bumerangue de papel que volte ao ser lançado. Investigue como seu movimento depende dos parâmetros relevantes“

Investigar a dependência de um fenômeno em seus parâmetros relevantes implica uma necessidade de averiguar e comprovar como cada uma das variáveis altera o fenômeno final de forma quantitativa e qualitativa. Nesse tipo de enunciado, é muito importante realizar diversos testes fazendo pequenas alterações nas condições iniciais e verificar como o resultado muda a cada vez, de maneira a atestar como o resultado depende de cada um dos parâmetros.

“Conecte duas molas lineares idênticas simetricamente a uma massa em forma de ”V” e aplique uma força ajustável à massa. Quando essa força é variada, o movimento resultante da massa depende do histórico das mudanças na força aplicada sob certas condições. Investigue esse fenômeno.“

Esse comando, além de ser um dos mais gerais, implica que o fenômeno deve ser analisado integralmente; com foco nas razões pelas quais acontece, isto é, checar quais são os parâmetros e condições ideais para a ocorrência do experimento e detalhes sobre o comportamento do fenômeno, como pontos de maximização, determinação de trajetórias ou outros dados sobre o fenômeno em si.

Aparato Experimental

O que é aparato experimental?
Um aparato experimental é simplesmente o conjunto dos objetos que serão utilizados em um experimento. Entram nessa categoria instrumentos como hastes de laboratório, pesos controlados, polias, e qualquer outra coisa que o fenômeno analisado dependa para acontecer. Esses materiais devem ser escolhidos com base em sua qualidade, eficiência e correlação com o enunciado.

Além desses, também entram nessa categoria os mecanismos para obter os dados. Os instrumentos de precisão, que serão explicados em mais detalhes em uma próxima seção, já que precisam de um cuidado maior para serem manejados e apresentam algumas especificidades.

Vale ressaltar que um dos defeitos mais comuns que gera experimentos pouco confiáveis é o uso da mão humana. Esse erro consiste em usar as mãos em partes do experimento que dependem de precisão que apenas máquinas podem gerar, isto é, segurar câmeras ou suportes ou mover objetos do experimento manualmente. Isso gera problemas pois não é possível realizar precisamente o mesmo movimento com as mãos em todos os experimentos, o que pode gerar resultados destoantes e não totalmente dependentes dos parâmetros investigados, mas sim de movimentos não controlados das mãos.

Apesar de destoar muito, a grande maioria dos experimentos vai precisar de alguns mecanismos que são comuns. Seguem algumas opções que são frequentemente necessárias para bons experimentos:

Suportes:

Necessários para apoiar câmeras ou segurar o sistema físico de maneira a evitar vibrações e movimentos indesejados e a manter a posição desejada dos instrumentos dos experimentos.

• Algumas opções podem ser utilizadas:
  Suporte de madeira feito com marceneiro, caseiramente com serras (na presença de um adulto), corte a laser (caso houver acesso à máquinas desse tipo) ou impresso 3D.

Motores:

Esses são necessários para experimentos que precisam de movimentar algum objeto ou exercer uma força no sistema.

– Atuadores Lineares: Esses são motores frequentemente empregados em aparelhos do dia a dia, como portões e cadeiras, e exercem forças unidirecionais, ou seja, possuem um braço que se estende e retrai com forças e amplitudes reguláveis.

• Algumas opções são: Feito a partir de motores rotacionais com slider crank (que pode ser feito de lego ou impresso 3D) ou comprado na internet.
• O mecanismo de slider crank consiste em um pistão que se anexa em uma extremindade de uma roda móvel para converter movimento rotacional em movimento linear harmonico simples.

– Motores Giratórios: Motores que exercem uma força rotacional

• Algumas opções são: elétricos (motores de lego, servo motor, …)

– Motores de Energia Potencial Gravitacional: Transforma energia gravitacional em energia cinética de rotação.

• Algumas opções são: Impresso 3d, comprado na internet, feito de madeira.
• Esse modelo requer cuidados principalmente no lançamento dos pesos e na impulso inicial que é gerado por essa massa.

Sistema Eletrônico

Responsável por coordenar a ação de motores e sensores dentro dos experimentos, de maneira a garantir uma repetibilidade.

• Algumas opções são: Python, EV3 classroom, Java Script.

Plano de Fundo

São materiais que podem ser adicionados no plano de fundo das gravações dos experimentos de maneira a facilitar a observação e, consequentemente, a obtenção de dados.

• Algumas opções são: Cartolina ou branca (a depender das cores dos componentes do experimento).

Instrumentos de Precisão

Os instrumentos de precisão, como citados acima, são instrumentos utilizados para obter dados. Vale ressaltar que seu uso varia muito dependendo do experimento e devem ser utilizados conforme a necessidade.

• Alguns exemplos são: Balanças, béqueres, réguas, trenas, barômetros, paquimetros, anemômetros, etc.

Extração e Análise de Dados

Fundamental na investigação experimental da IYPT, já que sustenta a validade das conclusões e compõe um critério importante na avaliação dos relatórios e apresentações.

1. Registro de Dados: O primeiro passo é garantir um registro claro e organizado das medições realizadas. Para fenômenos dinâmicos, recomenda-se gravar vídeos com uma alta taxa de quadros, com boa iluminação, plano de fundo contrastante e escala de referência visível. Para medições diretas, como tempo, massa ou tensão, anote os valores com o máximo de precisão e repita as medições para garantir a confiabilidade.
2. Extração de Dados: Quando o fenômeno for registrado em vídeo, utilize softwares específicos para extração de dados, como o Tracker. Esse programa permite rastrear movimentos e gera automaticamente gráficos de posição, velocidade e aceleração. Ajuste parâmetros como escala, taxa de quadros e sistema de referência para obter maior precisão.
3. Organização dos Dados: Todos os dados coletados devem ser sistematicamente organizados em tabelas claras, utilizando planilhas como Google Sheets ou Microsoft Excel. Relacione as variáveis independentes, dependentes e controladas, indicando unidades de medida e incertezas associadas.
4. Tratamento e Análise: Com os dados organizados, inicie a análise:
   • Construção de Gráficos: Utilize software (como: matLAB, sciDAVis) para construir seus gráficos. Apesar do tracker fazer gráficos automáticos, dê preferência a construí-los (são feios os do tracker);
   • Ajuste de Modelos: utilize funções matemáticas adequadas (linear, exponencial, etc.) e calcule parâmetros importantes, como inclinação ou constantes experimentais;
   • Análise de Incertezas: estime as incertezas experimentais e propague os erros quando necessário, evidenciando a confiabilidade dos resultados.
5. Interpretação: Por fim, interprete os dados com base nos modelos teóricos propostos. Discuta as tendências observadas, compare com previsões analíticas ou simulações e destaque eventuais discrepâncias, identificando possíveis fontes de erro.

Comparação Teórico-Experimental

A etapa mais importante da IYPT. Ela não apenas avalia a validade do modelo adotado, mas também demonstra a qualidade da metodologia e a profundidade da análise científica.

Como realizar a comparação:

1. Sobreposição do modelo teórico: Depois de ter construído seus gráficos, insira a curva teórica prevista pelo modelo analítico ou computacional que foi desenvolvido previamente. Para isso, utilize ferramentas como Matlab, Desmos, GeoGebra ou Python (Matplotlib), gerando a função correspondente aos parâmetros teóricos.
2. Inclusão das incertezas: Adicione as barras de incerteza aos pontos experimentais, refletindo os erros associados às medições (ex.: precisão do cronômetro, resolução da escala, etc.).
3. Análise crítica: Não basta apenas montar o experimento e anotar os dados, é importante avaliar os seguintes pontos, para validar se sua teoria é válida:
   • A proximidade dos pontos experimentais à curva teórica;
   • A compatibilidade dentro das incertezas;
   • Possíveis padrões ou discrepâncias sistemáticas.
4. Possíveis erros: Caso os valores previstos estejam muito distantes dos valores obtidos, podem ter ocorrido erros. A maioria deles, se configura nas seguintes categorias:
   • Erro humano. Alguma medição ou ação feita por humanos pode fazer um erro aleatório no seu sistema.
   • Erro sistêmico. Algum dispositivo de mensuração pode não estar calibrado corretamente e persistir demonstrando o mesmo erro durante uma série de experimentos.
5. Exemplos:
   • Esse gráfico demonstra como a aceleração de um foguete varia conforme o tempo de decolagem decorrido com diferentes pressões em seu interior. Note que apesar de nem todos os pontos estarem perfeitamente alinhados com suas respectivas curvas, as barras verticais que representam as incertezas estão, em sua maioria, em contato com a curva. Isso denota que a precisão do sistema e da previsão teórica estão satisfatórias.

Esses passos são cruciais não só para conseguir uma boa comparação entre sua teoria e experimentos, mas também para averiguar erros e prevenir fraquezas que poderiam ser pontuadas por juízes ou oponentes nas 3 fases do torneio.