Title: ¿Cómo piensan y trabajan los científicos?
Course: Física Plus + 1 BGU

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

“Vivimos en un universo extraño y maravilloso. Se necesita una extraordinaria imaginación para apreciar su edad, tamaño, violencia, e incluso su vasto cosmos es insignificante; quizá por ello tratamos de encontrarle un sentido y de ver cómo encajamos en él” (Hawking & Mlodinow, 2008, pág. 17).

¿Qué impulsa al ser humano a escudriñar el universo?

Sin duda, lo que lo impulsa es la incesante búsqueda de aquel conocimiento que lo acerque a la verdad, a responder preguntas que le ayuden a comprender su existencia y el todo que lo rodea. Es por ello que el ser humano rasga con su mirada las inmensidades del cosmos y las minúsculas partículas en las que pretende encontrar su propio origen.

¿Qué es la ciencia?

“La ciencia puede ser definida de muchas maneras diferentes. Puede ser considerada como un esfuerzo colectivo de una multitud de investigadores, escépticos y pragmáticos, que basan sus conclusiones en una cuidadosa y progresiva búsqueda de hechos por medio del uso sistemático y constante de los experimentos, con gran respeto por la evidencia objetiva” (Jaffe, 2017, pág. 50).

La palabra ciencia tiene un origen latino: scientia, que significa conocer. Al conjunto de conocimientos obtenidos de forma sistemática, estructurados y enmarcados en un ámbito definido, los llamamos ciencia. La disciplina de la física pertenece a un conjunto de ciencias denominadas ciencias experimentales o fácticas, cuyo objeto de estudio es tangible.

Las ciencias se componen de un conjunto de saberes denominados conocimientos científicos, cuyo origen se halla en la acumulación de diversas experiencias humanas que buscan respuestas a preguntas que han inspirado al ser humano desde sus orígenes.

La fundamentación de un conocimiento científico radica en la máxima posibilidad de ser comprobado, en cualquier momento y en cualquier espacio. Para esto un conocimiento científico debe poseer las siguientes características:

El método científico

Para llegar a un conocimiento científico, las ciencias basan sus investigaciones en el método científico.

El método científico es un conjunto de pasos que, por medio de la rigurosidad de procedimientos,  intenta lograr la mayor objetividad en la observación, obtención de datos, análisis, emisión de conclusiones y evaluación de resultados.

Además, el método científico busca perfeccionar sus procedimientos; deja siempre abierta la posibilidad de ampliar y corregir una investigación o de modificar una teoría.

Etapas del método científico

Al observar la naturaleza, nos preguntamos el porqué es así y al mismo tiempo elaboramos una presunta respuesta a esta interrogante. Este hecho ha dado origen a una multitud de acciones humanas a las que se les ha llamado experimentos. El resultado de estas investigaciones nos ha acercado a conocer cómo funciona el universo y a establecer teorías que posibilitan, con bastante precisión, predecir su comportamiento.

La observación

¿Cómo comprendemos aquello que está fuera y dentro de nosotros?

Cualquier investigación se inicia en la observación. Lo que conocemos proviene de la contemplación que nuestros sentidos hacen de una realidad. Con ellos podemos percibir los colores, diferenciar lo cálido de lo frío, distinguir sabores, olores, sonidos, texturas…

Por mucho tiempo, y aún ahora, incontables fenómenos de la naturaleza nos resultan invisibles debido a la funcionalidad de nuestros sentidos. Podemos observar sus efectos, pero no lo que los origina. Esto ha hecho que el ser humano invente aparatos que amplifiquen su capacidad de observación, que hagan visible lo invisible; así, se han inventado aparatos como los telescopios, las antenas, los espectrómetros, o los lentes infrarrojos, entre otros.

▲ Galileo Galilei.

Galileo, el método científico y el movimientode los cuerpos

Desde la época de Aristóteles (384-322 a. C.), se creía que los cuerpos se movían de acuerdo con su naturaleza celestial o terrenal. Los astros, planetas y estrellas poseían un movimiento natural, y tendían a permanecer moviéndose eternamente en la estela celeste. Sin embargo, los cuerpos terrenales eran atraídos por la Tierra y tendían a caer sobre su superficie. Además, la gente creía que los cuerpos pesados caían más rápido que los ligeros. Así, una piedra descendía más deprisa
que una pluma. Hasta el siglo XVII, se decía que los cuerpos en la Tierra solo podían moverse si un ser vivo provocaba el movimiento (por ejemplo: un caballo podía propulsar una carreta). Esta observación solo era válida para un grupo de objetos, pero no explicaba por qué el mar, el viento y los cuerpos que caen se mueven sin que nada los anime.

Galileo Galilei (Pisa, 1574-1642) no estaba convencido de las ideas aristotélicas. Sus estudios en matemáticas y sus dotes de gran mecanicista habían hecho que intuyera una idea diferente para dar explicación al movimiento de los cuerpos.

Siendo aún adolescente, Galileo observó que péndulos cortos y largos tardaban el mismo tiempo en oscilar. Ante esta percepción, se preguntó:

¿Qué hace que el tiempo de oscilación sea el mismo, a pesar de que el péndulo posea diferente longitud?

¿Cómo es posible retardar la caída de un cuerpo?

La hipótesis

Cuando observamos un fenómeno físico y queremos explicar el porqué de su comportamiento, conjeturamos y elaboramos ideas que respondan a estas cuestiones. A estas argumentaciones se las conoce como hipótesis.

Las hipótesis se componen de las ideas o suposiciones que se plantean con el fin de explicar las causas, la relación o el efecto que provoca el fenómeno observado.

Toda la actividad investigativa tiene como fin validar o negar la hipótesis y responder a la pregunta que inició la actividad investigativa.

Para romper con aproximadamente dos milenios de ideas aristotélicas, Galileo se enfrascó en el trabajo de retardar la caída de los cuerpos para así examinarlos mejor y estudiar el movimiento con más detalle.

Tras analizar el movimiento pendular de diversos cuerpos y constatar que se tardaban lo mismo en oscilar, Galileo supuso que:

“… todos los objetos, al caer, se veían obligados a apartar el aire de su camino. Los objetos muy ligeros solo podían hacerlo con dificultad y eran retardados por la resistencia del aire. Los más pesados apartaban el aire fácilmente y no sufrían ningún retardo. En el vacío, donde la fuerza del aire es nula, la pluma y el copo de nieve tenían que caer tan aprisa como las bolas de plomo” (Asimov, 2011, pág. 37).

Muchas veces las hipótesis sirven como una propuesta provisional que no pretende demostrarse de forma estricta, sino que es válida  para descartar otras variantes en la investigación. Al seguir el método científico se llega a un absurdo y de esa manera la hipótesis se desecha.

Las hipótesis de Galileo

- Cuando caen, los cuerpos retardan su movimiento debido a que el aire crea resistencia.
- En el vacío, donde no existe resistencia del aire, los cuerpos caerán con la misma rapidez, lo que quiere decir que la caída de todos los cuerpos no depende de su peso sino de la resistencia del aire al caer. En resumen, una piedra y una pluma caen igual en el vacío.

La experimentación

La parte experimental es la que sirve para extraer datos del fenómeno investigado. Para ello se requiere su estudio de forma aislada y bajo condiciones controladas.

En la experimentación es importante:

Diseñar el experimento, lo cual facilitará la toma de datos y el control de las condiciones ideales para observar el fenómeno sin interferencias.

Definir  las variables que se medirán. En el caso de la física, se manejan tres tipos de variables:

- la variable independiente,

- la variable dependiente,

- la variable controlada.

▲ Adaptado de la teoría psicoanalítica de Ricardo Palma.

Medir (o cuantificar el fenómeno) corresponde a la generación de datos cuantificados, los cuales se recolectan en tablas, se procesan y se analizan.

Lo que Galileo sospechaba debía comprobarse. Para ello, tuvo que diseñar un experimento mediante el que pudiera estudiar el movimiento de forma controlada.

¿Cómo retardar la caída de un cuerpo sin el uso de un péndulo?

El diseño de Galileo tenía que retardar la caída de un cuerpo sin usar el péndulo. La trayectoria debía ser en línea recta y poseer inclinación. Para esto inventó lo que ahora conocemos como plano inclinado. Galileo fabricó un tablero de madera, perfectamente pulido y con un surco, cuyo desnivel era muy ligero, casi horizontal. Por el surco rodarían muy lentamente las bolas de prueba. Para la medición del tiempo, Galileo utilizaría un reloj de agua, fabricado con un recipiente que goteaba agua de forma controlada.

La cuantificación del fenómeno

“Estoy de acuerdo con Lord Kelvin cuando dice:

Cuando podemos cuantificar lo que decimos y expresarlo numéricamente, sabemos algo al respecto. Cuando no lo expresamos por medio de números, nuestro conocimiento se nos antoja insuficiente e insatisfactorio. Quizá podríamos hablar entonces de rudimentos, pero habremos avanzado muy poco hacia lo que consideramos ciencia” (Glashow, 2000, p. 211).

Las conclusiones

Una vez que se han analizado los datos, se pueden sacar las conclusiones, que para la física parten del procesamiento de una suficiente cantidad de datos.

Es posible obtener deducciones a partir de los resultados obtenidos en:

- la correlación que existe entre las variables;

- la gráfica (sea esta lineal, polinómica, logarítmica, etc);

- el significado de la pendiente, de la derivada, y otros;

- la propagación de la incertidumbre.

Las conclusiones confirman o niegan la hipótesis y responden a la pregunta que generó la investigación.

Por último, si en varios experimentos los expertos validan una hipótesis, se acepta como una teoría científica.

En sus repetidas pruebas, Galileo dejó rodar por el plano inclinado cuerpos de diferentes pesos y, en cada uno de ellos, observaba que era casi despreciable la diferencia de tiempo cronometrado que tardaban en rodar una misma distancia. Estableció que mientras el cuerpo caía, debía ir apartando el aire en su recorrido. A diferencia de lo que sucedía con los cuerpos livianos, a los pesados les era más fácil vencer la resistencia del aire. En el vacío, sin embargo, los cuerpos se moverían a la misma velocidad porque no debían superar esta dificultad.

Galileo también observó que mientras rodaban las bolas, aumentaba su velocidad de forma uniforme. Para él estuvo claro que los cuerpos al caer se iban acelerando. Sus dotes de matemático permitieron que calculara esa aceleración con gran precisión y que estableciera la necesidad de la acción de una fuerza para cambiar su estado de movimiento. Los experimentos de Galileo fueron la base con la que Isaac Newton establecería sus famosas leyes.

Las conclusiones de Galileo

- En el vacío, todos los cuerpos caen con la misma velocidad.

- Cuando un cuerpo cae, lo hace con una aceleración constante.

- Los cuerpos en reposo requieren de una fuerza para moverse, y los cuerpos en movimiento requieren de una fuerza para cambiar su estado.

- Galileo fue el primero en incorporar una forma sistemática de medir. Es por ello que se dice que él fue el pionero en realizar experimentos con categoría de  científicos.