Title: ¿Cómo piensan y trabajan los científicos?
Course: Física Plus + 3 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, p. 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 donde 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, p. 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.

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 características que se enumeran en la imagen de la izquierda.

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 preguntarnos 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 las experimentaciones nos ha acercado a conocer cómo funciona el universo y a establecer teorías que posibilitan, con bastante precisión, predecir su comportamiento.

▲ Stephen Hawking.

La observación

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

Cualquier investigación inicia en la observación. Lo que conocemos proviene de la observación que hacen nuestros sentidos de una realidad. Con ellos podemos conocer 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 son invisibles debido a la funcionalidad de nuestros sentidos. Podemos observar sus efectos, pero no lo que los origina. Esto ha hecho que los seres humanos inventen aparatos que amplifiquen su capacidad de observación, que hagan visible lo invisible; así, han inventado aparatos como los telescopios, las antenas, los espectrómetros, los lentes infrarrojos, entre otros.

▲ Monumento a James Prescott Joule.

James Prescott Joule y el método científico

Luego de que Isaac Newton (Inglaterra, 1642-1727) publicara sus libros sobre Principios matemáticos de la filosofía natural, en donde describía las causas que producen, modifican o detienen el movimiento de los cuerpos, a muchos científicos les interesó saber qué sucede con la energía cinética de los cuerpos cuando estos alcanzan el reposo. Es decir, a dónde se va esta energía.

La energía se define como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, pero esto no estaba tan claro, al menos para James Prescott Joule (Inglaterra, 1818-1889), quien observó cuerpos que luego de rodar o deslizarse, terminaban deteniéndose sin haber realizado ningún trabajo. En estos cuerpos, aparentemente, la energía cinética se esfumaba; lo mismo ocurría con otros cuerpos que caían al suelo, rebotaban por un momento y quedaban en reposo.

Joule se hallaba muy inquieto respecto sobre qué sucedía con la energía cinética de los cuerpos. Si esta no se transformaba en trabajo, ¿en qué se estaba transformando?

Las preguntas que se planteó Joule ante sus primeras observaciones fueron:

- ¿Qué le sucede a la energía cinética de los cuerpos cuando estos llegan al reposo?
- ¿Por qué parece que la energía cinética se disipa en los cuerpos que dejan de moverse?

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 proposiciones 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.

▲ Albert Einstein.

James Prescott Joule sabía que los postulados de Newton indicaban claramente que para que un cuerpo se detuviera, debían actuar fuerzas contrarias al movimiento. Por ejemplo, cuando un cuerpo rueda, la fuerza de rozamiento hace que este se detenga.

Por otro lado, en aquellos tiempos eran bastante conocidas las ideas del científico Benjamin Thompson, Conde de Rumford (Estados Unidos, 1753-1814) quien, luego de varios experimentos, había definido al calor como una forma de movimiento de las moléculas.

A Joule se le ocurrió que entre el calor y el movimiento de los cuerpos debía existir algún tipo de relación.

La hipótesis de Joule

Joule, como todo científico de la época, sabía que el rozamiento de los cuerpos producía calor. Pensó entonces que si un cuerpo al deslizarse va perdiendo energía cinética, esta se transmitiría a las partículas del cuerpo y a las partículas de la superficie por donde se desliza, convirtiéndose de esta manera en pequeños movimientos, es decir, en calor.

Las hipótesis de Joule fueron:

- El calor es otra forma de energía en movimiento.
- Otras formas de energía (como la química y la eléctrica) también son energía cinética y se pueden transformar en calor.

La experimentación

La parte experimental es la que sirve para obtener datos del fenómeno investigado. Para ello, se requiere que el fenómeno sea estudiado 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.

Joule debía establecer si su hipótesis era verdadera o falsa. Para ello inventó un aparato que consistía en provocar el deslizamiento de unas masas conectadas a unas poleas y hacer girar unas paletas introducidas en un líquido. Con esto podía medir si se producían cambios de temperatura, causados por el movimiento de estas.

“El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba, lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente. Este proceso se repetía veinte veces y se medía la temperatura final del líquido agitado. Las paredes del recipiente eran herméticas y estaban fabricadas de una madera muy gruesa para simular una pared adiabática” (García, 2014).

La persistencia y genialidad

Para Joule no eran suficientes los resultados positivos obtenidos con el aparato de poleas y paletas. Debía confirmar que cualquier tipo de energía se transformaba en calor. Para ello, realizó otros experimentos, midiendo el calor generado al comprimir el aire, o al hacer pasar corriente eléctrica por un cable. En todos los casos se podía evidenciar aumento de temperatura.

▲ Experimento de Joule para medir la variación de la temperatura.

Las conclusiones

Una vez que los datos son analizados, se puede extraer de ellos las conclusiones. Para la física, las conclusiones parten del procesamiento de una suficiente cantidad de datos.

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

- la correlación que existe entre las variables;

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

- 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 una hipótesis es validada por expertos, esta se acepta como una teoría científica.

▲  Una de las aplicaciones de la transformación de energía eléctrica en calor es la calefacción eléctrica por medio de una resistencia de niquelina.

Todos los resultados obtenidos por Joule determinaron que existía una relación directa entre la energía, el trabajo mecánico y el calor. Los resultados de sus experimentos llevaron a Joule a la conclusión de que cualquier tipo de energía podía convertirse en calor, y que el calor producido por el trabajo mecánico es directamente
proporcional.

“Joule estaba ya convencido de que una cantidad dada de energía de cualquier tipo producía siempre la misma cantidad de calor. […] Joule demostró que siempre que se consumían unos 41 800 000 ergios de energía de cualquier tipo, se producía 1 caloría” (Asimov, 2011, p. 83).

En honor a los trabajos realizados por este gran científico, se conoce como Efecto Joule al calentamiento que experimentan los materiales conductores, cuando a través de ellos se hace circular corriente eléctrica.

Las leyes tras las conclusiones de Joule

En la actualidad, a la caloría se la conoce como el equivalente mecánico del calor. Es decir, la cantidad de energía mecánica requerida para elevar en un grado de temperatura a un gramo de agua.

Joule pudo establecer que cualquier tipo de energía podía transformarse en calor. Esta conclusión es la base sobre la cual se enuncia la primera ley de termodinámica:

“La energía total del universo es constante”.

Enunciada de una manera más sencilla, se dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.