31 de jan de 2016

Métodos da Ciência Física

Atualmente, quase toda a pesquisa científica exige a manipulação e a análise de uma quantidade inimaginável de dados.

Com o advento do computador, pouco depois da Segunda Guerra Mundial, o tratamento desses dados passou a ser feito num tempo muito menor.

O primeiro computador a válvula, conhecido como ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer), criado na Universidade de Pensilvânia nos EUA, em $1946$, era capaz de calcular a trajetória de bombas lançadas por canhões antes que elas atingissem o alvo. Um grande feito para a época. Hoje, os computadores pessoais podem realizar tarefa semelhante em segundos, com uma precisão muito maior, e estão presentes em diversas áreas.

Veremos neste artigo como os cientistas obtêm dados e como utilizam deles para resolver problemas práticos.


[ENIAC - Eletronic Numerical Integrator and Computer]

Registro histórico

Nos anos $1930$, as chamadas radiotelefônicas da América para a Europa apresentavam muito ruído. Karl Jansky $(1905-1950)$, um engenheiro de Nova Jersey, EUA, foi incumbido de descobrir a fonte desses problemas.

Ele construiu um sistema de antenas e montou-o sobre o chassi de um automóvel antigo, de modo que a antena pudesse se deslocar em uma trajetória circular. Descobriu, então, que a maior parte desse ruído era causada por tempestades próximas e por outros distúrbios elétricos atmosféricos mais afastados. Entretanto, mesmo depois de essas fontes terem sido encontradas e saneadas, um ruído de fundo persistia durante as transmissões.

Após gravar o ruído por um longo período de tempo, Jansky percebeu que ele apresentava certa regularidade: era mais acentuado à mesma hora todos os dias. Além disso, observou que a fonte desses ruídos de fundo movimentava-se atravessando o céu de leste para oeste, o que levou a acreditar que ela situava fora da Terra. Em outras palavras, a Terra estava recebendo ondas de rádio transmitidas do espaço. Qual seria sua origem?

Método científico

Cientista é a pessoa interessada em fazer determinadas perguntas e obter respostas para elas de maneira organizada.

O trabalho científico pode ser dividido em duas áreas: ciência pura e ciência aplicada.

A ciência pura envolve o questionamento e a busca de respostas para a obtenção de novos conhecimentos. Um cientista que se dedique às ciências puras busca respostas científicas para perguntas como: "Quais partículas constituem a matéria?" ou "Do que é feito o Universo?".

As ciências aplicadas usam conhecimentos provenientes das ciências puras para resolver problemas práticos. Um cientista que se dedique às ciências aplicadas pode trabalhar na busca de um novo medicamento ou de um novo material resistente ao calor, por exemplo.

Muitas vezes é difícil separar a ciência pura da ciência aplicada. Jansky estava trabalhando em um problema prático, mas acabou descobrindo novas características das ondas de rádio

Um cientista resolve problemas cientificamente utilizando o chamado método científico. Esse método permite resolver problemas de maneira ordenada. com base em certos processos. Mas nem todos os cientistas seguem os mesmos procedimentos e na mesma ordem.

Podemos tomar como exemplo de método científico aquele utilizado por Jansky. Seu primeiro passo foi identificar o problema e estabelecer claramente uma pergunta: "Qual é a fonte do ruído que ocorre nas chamadas telefônicas para a Europa?".

Em seguida, fez observações. Uma observação é qualquer informação que chega até nós por meio de nossos sentidos. Tudo o que podemos ver, ouvir, sentir, tocar ou cheirar é uma observação. Os cientistas fazem observações cuidadosas, pois querem conhecer o máximo possível sobre o problema em que estão trabalhando. Como os sinais de rádio não são perceptíveis diretamente por nossos sentidos, Jansky construiu um sistema de antenas para captar os ruídos e descobrir a fonte deles.

[Sistema de antenas desenvolvida por Jansky]

Os instrumentos científico permitem fazer observações mais precisas do que as obtidas por nossos sentidos. Podem incluir desde computadores, telescópios, microscópios, lasers, termômetros, balanças, ou até mesmo uma simples régua.

O terceiro passo de Jansky foi formular uma hipótese, ou seja, uma explicação possível e razoável para aquilo que foi observado. Inicialmente ele acreditava que o ruído era decorrente de distúrbios elétricos originados por tempestades.

Para determinar se suas hipóteses estão corretas, os cientistas realizam experimentos para testá-los. Os registros de Jansky mostravam que a quantidade de ruído aumentava significativamente durante as tempestades. Com base nesta constatação, ele percebeu que sua hipótese aparentemente estava correta.

Entretanto, depois de outro experimento com tempo bom, ele continuou a ouvir o ruído, o que não podia ser explicado por sua primeira hipótese. Isso acontece muitas vezes em experimentos científicos: as informações obtidas podem contradizer a hipótese inicialmente testada. Torna-se, então, necessário descartá-la ou modificá-la para poder explicar as novas informações obtidas.

Jansky precisou olhar mais longe para descobrir a fonte desse ruído. Seus registros mostravam um padrão no ruído residual, que, no começo, sugeria que ele tinha origem solar: o ruído movimentava-se de leste para oeste todos os dias. Após fazer mais observações, ele finalmente concluiu que a fonte daquele ruído eram estrelas no centro da nossa galáxia: a Via Láctea.

[Karl Jansky analisando e apontando a região da galáxia que seria a fonte de emissão do forte ruído cósmico] 

Jansky foi o primeiro cientista a observar ondas de rádio originadas de corpos celestes. Seus experimentos foram divulgados em publicações científicas e outros pesquisadores puderam aprender mais sobre essa descoberta. A partir dela desenvolveu-se um campo de pesquisa inteiramente novo: a Radioastronomia.

A figura abaixo resume os passos do método científico:


[Fluxograma resumido do método científico ]

Entretanto, o método científico não é a única forma pela qual a Ciência se desenvolve. O conhecimento científico pode avançar por tentativas, com erros e acertos, podendo até mesmo se desenvolver a partir de uma descoberta acidental.

Os raios X, por exemplo, foram descobertos acidentalmente quando, na tarde de $8$ de novembro de $1895$, o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen $(1845-1923)$ estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Todo o aparato foi envolvido por uma caixa com um filme negro em seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário.

Röntgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam, a chegada desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto indicava que a radiação possui alto poder de penetração. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana. Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta em $8$ de novembro de $1895$. Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.


[Hand mit Ringen: a primeira radiografia de Wilhelm Röntgen referente a mão de sua esposa]

Em $1962$, o físico estadunidense Thomas Samuel Kuhn $(1922-1996)$, cujo trabalho incidiu sobre a história e filosofia da ciência, lançou um livro denominado A estrutura das revoluções científicas.

Nesse livro, Kuhn afirma que a "ciência normal" é sustentada por um paradigma, ou seja, um padrão que serve como modelo a ser imitado ou seguido. Esse modelo é abalado quando uma "anomalia" é detectada e o paradigma em vigência não sonsegue dar-lhe uma explicação.

Surge, então, uma crise paradigmática que leva a um novo paradigma que, ao explicar a anomalia anterior detectada, acabará por substituir o paradigma antigo. De acordo com Kuhn, esse período no qual um paradigma é substituído por outro constitui uma "revolução científica".

O modelo geocêntrico, por exemplo, que considerava a Terra como o centro do Universo, passou por uma mudança de paradigma. Esse modelos foi aceito durante séculos, até que estudos sobre os movimentos dos planetas o levaram a ser substituídos pelo modelo heliocêntrico, no qual o Sol ocupa o centro e os planetas giram ao seu redor.


[Sistema geocêntrico de Ptolomeu e o sistema heliocêntrico de Copérnico]

Outra revolução científica aconteceu entre o final do século $XIX$ e o começo do século $XX$, com o surgimento das teorias de Einstein, Planck e muitos outros, que deram origem à chamada Física Moderna.

Modelos, teorias, leis e princípios

Quando um cientista procura entender uma série particular de fenômenos, geralmente faz uso de um modelo.

Um modelo é um tipo de analogia ou de imagem do fenômeno que o cientista faz, relacionando esse fenômeno a alguma coisa que lhe seja familiar. O propósito é obter um quadro mental ou visual do que está acontecendo, assim o modelo muitas vezes fornece um entendimento mais aprofundado do fenômeno Além disso, a analogia com um sistema conhecido pode sugerir a realização de novas experiências e, ao final, resultar em novas ideias a respeito de outros fenômenos relacionados ao mesmo modelo.

Nenhum modelo é totalmente exato, e os cientistas estão constantemente tentando refinar seus modelos ou pensando em novos, quando os velhos começam a se mostrar inadequados.

Um exemplo é o modelo atômico proposto por Rutherford, análogo ao do nosso Sistema Solar: o núcleo seria o Sol e os elétrons, os planetas.

[Modelo atômico de Rutherford, também conhecido como modelo planetário do átomo]

Para montar sua teoria, Rutherford analisou resultados de seu experimento que ficou conhecido como "experiência de Rutherford". Nesta experiência, utilizando uma fonte radioativa para emitir partículas alfas, um contador geiger, e uma fina lâmina de ouro, ele mediu o número de partículas alfa que atravessaram esta folha. Porém, ele percebeu que embora muitas das partículas atravessam a folha (como já era previsto pelo modelo atômico em rigor naquela época), um número muito pequeno de partículas alfa eram refletidas ou sofriam desvio por esta folha. Com base nisto, Ernest Rutherford montou a sua teoria.

Em $1911$, Rutherford apresentou a sua teoria para o seu modelo atômico, afirmou que o modelo vigente até então, também conhecido como "pudim de passas", que foi feito por J. J. Thomson, estava incorreto. Rutherford afirmou com seu experimento, que o átomo não era apenas uma esfera maciça de carga elétrica positiva incrustada com elétrons como dizia Thomson. Segundo Rutherford, o átomo teria na verdade um núcleo de carga elétrica positiva de tamanho muito pequeno em relação ao seu tamanho total, sendo que este núcleo, que conteria praticamente toda a massa do átomo, estaria sendo rodeado por elétrons de carga elétrica negativa, os quais descreveriam órbitas helicoidais em altas velocidades.

Existe uma diferença entre um modelo e uma teoria. Muitas vezes, essas palavras são usadas indistintamente. Mas geralmente um modelo é algo mais simples, enquanto a teoria é mais abrangente, mas detalhada e procura resolver e explicar um conjunto de problemas, muitas vezes com precisão matemática. É comum um modelo ser desenvolvido e modificado até corresponder mais exatamente a uma grande variedade de fenômenos observados. Nesse ponto, ele começa a ser chamado de teoria. Um exemplo é a teoria ondulatória da luz.

Os cientistas dão o nome de leis a certas afirmações concisas, mas genéricas, sobre comportamentos da natureza (a conservação da energia, por exemplo). Algumas vezes essas afirmações tomam a forma de uma relação ou equação entre quantidades (como a equação fundamental da Dinâmica, ou equação de Newton, $F=m\cdot a$), o que é essencial para um tratamento teórico da lei.

Para ser chamada de lei, uma afirmação (obtida experimentalmente) deve ser válida, com regularidade, para um grande número de fenômenos observados. De modo geral, a lei dá uma unidade a muitas observações. A lei que tem um papel básico numa teoria é geralmente denominada princípio (como o princípio de atração e repulsão ente cargas elétricas). A fronteira entre as leis e os princípios é obviamente arbitrária, pois nem sempre existe uma distinção clara entre eles.

Referências:

[1] Física, Ciência e Tecnologia V. 1 - Carlos Magno et al.
[2] Raios-X no Wikipédia

Veja mais:




2 comentários:

  1. Muito bom. O livro didático Física, Ciência e Tecnologia é o qual tenho adotado nas escolas públicas onde eu faço a escolha. Também usei esse texto tirado de lá sobre Jansky para postar no meu blog. Um fato intetessante que acrescentei foi sobre a maneira que Jansky descobriu que os ruidos não eram provenientes de tao perto como o Sol. Ele foi auxiliado por colegas astrônomos que lhe explicatam sobre o conceito de Dia Sideral, que não tem exatamente 24 horas.
    Bela postagem
    Abraço.

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    Respostas
    1. Olá Jairo. Agora que citou, lembrei-me do seu post! Vou linkar seu artigo. Eu gostei bastante desta coleção de livros porque tem bastantes fatos históricos. Obrigado por passar por aqui. Um abraço!

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