Construindo a Ciência O Trabalho Científico
Parte 1

Devemos tomar cuidado para extrair de uma experiência apenas o conhecimento que ela fornece --- e parar aí;
senão seremos como o gato que se senta na chapa quente de um fogão.
Ele nunca mais se sentará de novo na chapa quente de um fogão --- e isto está bem;
 mas ele também nunca mais se sentará em uma chapa fria.MARK TWAIN

Introdução - Carros eletro-solares

Que belos carros eletro-solares não!?
É comum que, veiculados pelos meios de comunicação, tomemos conhecimento de novos descobrimentos os quais, sem dúvida, nos causam profundas admirações. Por vezes ficamos a pensar e a nos indagar: 'Como trabalham os homens e mulheres que realizam tais descobrimentos?", "Que método seguem até chegar a obter certos resultados que, além de aceitos e reconhecidos pelos cientistas do mundo todo, se convertem em pontos de partida para aplicações importantes para a humanidade?".
No exemplo acima, destacamos os magníficos carros eletro-solares, que se movimentam convertendo energia solar em energia elétrica e a seguir em energia mecânica. No que tais construtores se basearam para obter energia elétrica a partir de energia solar? Como realizaram tais trabalhos?
Pois bem, quem inicia sua vida científica fazendo tais indagações, começou bem. Já está pronto para ser apresentado ao Método que habitualmente caracterizam tais trabalhos de homens e mulheres que participam da Construção da Ciência, e as reflexões sobre ele. Nos itens a seguir descreveremos as principais características do trabalho próprio das ciências experimentais, dos quais, Física e Química tomam parte.

O trabalho científico é um trabalho planejadoO trabalho dos cientistas se caracteriza por ser um trabalho muito bem planejado, com alguns objetivos iniciais e algumas fases ou etapas que habitualmente, porém não sempre, ocorrem em certa ordem, uma em continuação de outras. O trabalho planejado permite aos cientistas abordar problemas, explicar fenômenos, realizar descobrimentos e obter conclusões de caráter geral.

fenômeno = qualquer modificação observável e passível de repetição. (Léo)

O trabalho científico objetiva buscar soluçõesQuando um cientista ou grupo de cientistas trata de estudar algum fenômeno da Natureza, normalmente começa por enquadra-lo como uma 'questão' cuja resposta ele desconhece. Ou seja, o homem de ciência entende que a busca para a explicação de um fato é tal e qual à apresentação do enunciado de um problema para o qual ele deve encontrar uma solução.

fenômeno da Natureza = fenômeno que ocorre na Natureza.
fato = fenômeno de reconhecimento indiscutível.

A razão pela qual um cientista decide estudar um determinado fenômeno e não outro, prende-se ao pessoal interesse que esse fenômeno lhe desperta e com a preparação acadêmica que tem, ainda que, as vezes, também é influenciado pela real necessidade da sociedade, uma vez que, um certo trabalho científico tem, em determinadas ocasiões, um marcante caráter social. assim, por exemplo, o médico britânico Edward Jenner (1749-1823) investigou a forma de combater a varíola e descobriu uma vacina contra ela, solucionando assim graves problemas que essa enfermidade produzia na sociedade de sua época.

varíola = doença contagiosa, já erradicada, provocada por um vírus.

vacina = medicamento que previne o ser vivo a contrair a doença; geralmente feita com o material do agente causador da doença.

O trabalho científico apóia-se em conhecimentos já existentesPara realizar seu trabalho, os cientistas não partem de 'zero'. Suas investigações aproveitam os conhecimentos já consolidados que existem sobre o objeto de seu estudo. Devido a isso, se diz que a Ciência é acumulativa, quer dizer, que os novos conhecimentos se constroem sobre os anteriores e, dessa forma, tais conhecimentos vão se ampliando.

Nas bibliotecas científicas podemos encontrar todo o conhecimento científico acumulado.

Assim, ainda que Jenner tenha obtido uma vacina para a varíola, não conseguiu estabelecer a origem para esse mal, e tivemos que esperar até que o francês Louis Pasteur (1822-1895), baseando-se nos trabalhos de Jenner, descobriu a causa da enfermidade.

Interior da Sala de Espelhos de um Museu de Ciências
Na atualidade, os grandes descobrimentos científicos do presente e do passado, junto com
muitos que se supõe conquistar no futuro, podem ser contemplados nos Museus de Ciências

O trabalho científico é qualitativo e quantitativoO cientista, em seu trabalho, realiza observações do tipo qualitativo apenas naquelas nas quais não é necessário tomar medidas. Nestas observações se analisa um determinado fenômeno, procurando-se estabelecer por que motivo ele acontece, que fatores intervêm nele, que relação tem com outros fenômenos etc. Em geral, esse é um primeiro procedimento entre o fato observado e a tentativa de descreve-lo.

Porém, sempre que pode, o cientista efetua também medições rigorosas e precisas naquelas que quantifica e, se possível, formula matematicamente suas observações e conclusões. Isso ocorre, sobre tudo, nas ciências experimentais como o são a Física e a Química. Matemática é ferramenta forte na estruturação das ciências.

O trabalho em Física ou em Química responde a um mesmo planejamento, porém
se caracteriza por utilizar técnicas experimentais diferentes em cada um deles.

Assim, por exemplo, para determinar a velocidade de propagação do som em diferentes meios, os cientistas constataram em primeiro lugar que essa velocidade dependia da massa específica (ou densidade absoluta) do meio (aspecto qualitativo) e logo depois puderam, com equipamento adequado, medir a velocidade do som em diferentes meios (aspecto quantitativo), obtendo que, no ar ele se propaga a 340 m/s, na água a 1 500 m/s, no ferro a 5 130 m/s etc.

O trabalho científico chega a resultadosQuando um trabalho científico termina, os resultados a que chegou têm valor universal, ou seja, baseando-se neles poderemos predizer que, sempre que se tomem as mesmas condições em que foi feito o trabalho, se produzirá o mesmo fenômeno que foi observado e explicado.

Para que uma teoria científica tenha esse valor universal deverá ser comprovada repetidas vezes nos laboratórios e na realidade, mas, ainda assim, nunca poderemos estar seguros de que no futuro não possa ocorrer uma dessas experiências na qual a citada teoria não se confirme. Basta que, apenas em um caso, uma experiência contradiga uma teoria para que esta torne-se inválida. O histórico da ciência mostra-nos diversas dessas 'quedas de teorias'e suas substituições por novas. Todas as teorias científicas têm um caráter provisório, e podem modificar-se quando se encontram outras que explicam de uma forma mais completa o fenômeno ou fenômenos que pretendiam explicar.

O trabalho científico é um trabalho de equipeAinda que no princípio os cientistas concebessem suas idéias e experimentassem sobre elas solitariamente, na atualidade essa forma de trabalho está totalmente superada. Hoje em dia, homens e mulheres de ciência se associam em equipes mais ou menos numerosas e entre eles labutam organizadamente com a intenção de explicar os fatos e fenômenos que estudam.

Construindo a CiênciaFases do Método Científico
Parte 2

IntroduçãoAs ciências experimentais como a Física e a Química, utilizam o denominado método científico experimental, cujas principais fases iremos analisar a seguir, utilizando-nos de um caso real. Para tanto, propomos que você se imagine como se já fosse um cientista e tivesse como incumbência dar uma explicação a um fenômeno natural como, por exemplo, o arco-íris.

Como você planejaria sua atividade e que passos darias até encontrar resposta a todas as perguntas que envolvem o fenômeno do arco-íris?

No decorrer desse texto vamos tentar guia-lo por esse caminho onde você será o principal protagonista.

A observação do fenômeno

Observação do arco-íris

Uma vez definido o fenômeno de estudo, a primeira coisa a fazer é observar seu acontecimento, as circunstâncias em que se produz e suas características.

Esta observação deve ser reiterada (deve ser realizada várias vezes; deve ser repetida), minuciosa (deve-se tentar apreciar o maior número possível de detalhes), rigorosa (deve ser realizada com a maior precisão possível) e sistemática (deve ser efetuada de forma ordenada).

  Em que circunstâncias aparece o arco-íris?

A observação reiterada e sistemática do fenômeno lhe permitirá constatar que o arco-íris aparece quandochove (mais tarde você poderá simular uma chuva, em laboratório, e não precisará mais ficar aguardando 'chover')e, além disso, que há sol (mais tarde, no laboratório, um boa lâmpada irá simular o Sol). A mesma seqüência de observações fará com que você perceba que o arco-íris só será visível quando você estiver situado entre o sol e a chuva, de costas para o Sol. Você anotará em seu caderninho de campo: "O arco-íris não é visto de qualquer lugar que eu fique e, quando o vejo, estou de costas para o Sol entre o sol e a chuva". Na ilustração acima, onde você deverá estar? Onde está o Sol?

  Qual é a forma do arco-íris?

A forma do conhecido arco-íris é a de um arco de circunferência. Entretanto, você não deverá anotar apenas isso em seu caderno de campo. Anote também: "Será que observado do alto de uma montanha o tamanho desse arco aumenta? diminui? O raio médio da circunferência se altera? Se eu estivesse num avião teria ele, ainda, a forma de um arco?"

  Que cores ele nos mostra e em que ordem aparecem?

Poderás observar (apenas usando seus olhos) que existe sete cores diferentes no arco-íris e que são, de dentro para fora do arco: violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho.

Em busca de informaçõesVocê não é a primeira pessoa a observar um arco-íris, com certeza. Assim, como passo seguinte e com o objetivo de confirmar e reafirmar as observações efetuadas, deve-se consultar livros, enciclopédias ou revistas científicas que já descrevem algo sobre o fenômeno que está sendo, mais uma vez, estudado. Não esqueça que nos livros encontram-se os conhecimentos científicos acumulados através da história. Por esse motivo, a busca de informações e a utilização dos conhecimentos existentes são imprescindíveis em todo trabalho científico.

  Coincidem as informações que encontrou com aquelas obtidas durante suas observações?

A consulta de qualquer livro de Física Elementar lhe confirmará que as conclusões a que chegou através de suas observações são corretas. Ou seja:

a) O arco-íris só aparece e pode ser visto quando chove e, além disso, há sol.
b) O arco-íris sempre apresenta as mesmas cores e essas se sucedem na mesma ordem.

Atende para o fato de que esse livro texto elementar não deu resposta ás suas dúvidas anotadas em seu caderno de campo; talvez outros livros as dêem.

  Que outras informações puderam ser colhidas nos livros consultados?

A consulta de livros e revistas poderão lhe informar que, por exemplo, por vezes, aparecem dois arcos-íris, se bem que um deles é bem mais tênue que o outro e, portanto, mais difícil de se ver.

Arco-íris principal e secundário.

A formulação de hipóteses

O cientista formula uma hipótese.

Depois de observar o fenômeno e de reunir documentação suficiente sobre observações já efetuadas por outros, o cientista deve buscar uma argumentação que permita explicar e justificar cada uma das características de tal fenômeno. Como primeiro passo desta fase, o cientista começa a fazer várias conjecturas ou suposições a partir das quais, posteriormente, mediante uma série de comprovações experimentais, elegerá como explicação do fenômeno a mais completa e simples, a que melhor se ajuste aos conhecimentos gerais da ciência no momento. Essa explicação racional, razoável e suficiente se denominahipótese científica.

  O arco-íris é um fenômeno luminoso?

Parece que sim, posto que só se produz quando existe uma fonte luminosa (o Sol).

  Sua existência tem algo a ver com água?

A resposta também é afirmativa, posto que o arco-íris só aparece quando chove.

  É um fenômeno de reflexão ou de refração?

Parece que, a princípio, podemos descartar a reflexão, posto que o aparecimento do fenômeno não se observa em nenhum corpo opaco refletor. Por sua vez, podemos propor a hipótese de que o arco-íris seja um fenômeno de refração da luz e que seu aparecimento se dê por causa da decomposição da luz solar quando essa passa através das gotas de água da chuva. É uma hipótese razoável.

A comprovação experimentalUma vez formulada a hipótese, o cientista deve comprovar que esta é válida em todos os casos e, para tanto, deve realizar experiências nas quais se reproduzam o mais fielmente possível as condições naturais nas quais se verifique o fenômeno estudado. Se sob tais condições o fenômeno acontece, a hipótese terá validade, ou seja, será uma proposição verdadeira nas condições estipuladas.

  Como faremos para reproduzir as condições de aparecimento do arco-íris?

Comecemos por simular uma chuva e, para tanto devemos ter água caindo em gotas. Não é difícil fazer isso, basta pegar uma mangueira de regar o jardim e apertar a extremidade de saída com as mãos de modo a fazer um jato fino e largo. Máquinas de lavar, elétricas, permitem o ajuste desse fluxo com facilidade. Dirija o jato para cima e dê suas costas para o Sol. Pronto, você reproduziu com fidelidade os requisitos indispensáveis para o aparecimento do arco-íris; simulou uma chuva, há sol e você se colocou entre ambos.

  Que acontecerá quando você realizar essa experiência?

Se seguiu todos os passos descritos acima, poderá comprovar que no horizonte da 'chuva' irá aparecer um pequeno arco-íris.

  Poderemos admitir como válida a hipótese formulada?

Tudo indica que sim, porque com as mesmas condições que se dão na Natureza, porém em escala reduzida (tudo de tamanho menor), conseguimos obter um arco-íris.

Simulação do arco-íris.

Trabalhando no laboratórioUma das principais atividades do trabalho científico é a de realizar medidas sobre as diversas variáveis que intervêm  no fenômeno que se estuda e que são susceptíveis de serem medidas.

Se nos prendermos ao experimento descrito acima dificilmente você poderá tirar alguma medida, por isso, é conveniente repetir a experiência em um lugar adequado onde isso possa ser feito, ou seja, num laboratório. Estas experiências realizadas nos laboratórios se denominam 'experiências científicas' e devem cumprir os seguintes requisitos:

a) Devem permitir realizar uma observação sobre a qual possa-se extrair dados.

b) Devem permitir que os distintos fatores que intervêm no fenômeno (luminosidade, temperatura etc.) 
    possam ser individualmente controlados.

c) Devem permitir que se possam realizar (repetir) tantas vezes quanto necessárias e por distintos
    operadores.

Habitualmente, em ciências experimentais, os trabalhos de laboratório permitem estabelecer modelos, que são situações ou suposições teóricas mediante as quais se efetua uma analogia (formalização)(equivalência) entre o fenômeno que ocorre na Natureza e o experimento que realizamos.

 Como poderemos fazer uma montagem em laboratório na qual se possa efetuar medidas
                        sobre o fenômeno arco-íris?

Com a ajuda de seu professor você poderá realizar sem muita dificuldade uma experiência sobre o arco-íris. Para tanto deverá preparar um modelo no qual se verifique as seguintes equivalências:

na Natureza		no Laboratório
O Sol	se substitui por	uma fonte de luz (projetor)
os raios de Sol	se substitui por	um estreito feixe de luz procedente da fonte
uma gota de chuva	se substitui por	um balão cheio de água
o fundo do céu	se substitui por	uma tela na qual se recolhe a luz

Montagem de laboratório para a observação do arco-íris e seu esquema explicativo.

Efetuando-se a montagem acima ilustrada e dirigindo o feixe de luz proveniente da fonte para o balão cheio de água (e isso pode ser substituído por um bulbo de lâmpada incandescente da qual se extraiu seu 'miolo'), poderá observar projetado sobre a tela, uma em seguida a outra, as cores que formam o arco-íris.

  Como explicaremos o que ocorreu?

Quando o estreito feixe de luz branca atinge a região [A] do balão e penetra na água ele muda de direção ampliando a abertura do feixe (observe a região interna de [A] para [B]). Ao chegar na região [B], ao sair da água, novamente ocorre outra mudança de direção e nova ampliação da abertura do feixe --- é o fenômeno da refração que se faz acompanhar da decomposição da luz branca. As luzes coloridas provenientes dessa decomposição atingem a tela. Cada gota da chuva, nas condições citadas, tem esse comportamento. Devida a essas milhares gotas de chuva que participam dessa decomposição é que se torna possível ver o arco-íris no horizonte.
Além dessa importante observação, o experimento permite medir os diferentes ângulos de desvio de cada uma das cores em relação ao estreito feixe incidente inicial. É um experimento científico, preenchendo os requisitos básicos.

Assim, se comprova que a formação do arco-íris pode ser explicada pelas leis que regem a refração da luz.

O tratamento dos dadosAs medidas efetuadas sobre os fatores que intervêm em um determinado fenômeno devem permitir encontrar algum tipo de relação matemática entre as grandezas físicas que caracterizam o fenômeno em estudo. Para chegar a essa relação matemática os cientistas procuram seguir dois passos prévios: a análise dos fatores pertinentes e a construção de tabelas e gráficos.

1 Análise dos fatoresO estudo em profundidade de um fenômeno requer, em primeiro lugar, a determinação de todos os fatores que nele intervêm. Para que esse estudo se realize de forma mais simples, fixa-se uma série de grandezas que não variem (variáveis controladas) e se estuda a maneira como varia uma dada grandeza (variável dependente) quando se produz uma variação de outra grandeza (variável independente). Assim, se reconhecidamente existem 10 fatores intervindo num dado fenômeno, fixam-se os valores de 8 deles, variamos deliberadamente (de modo muito bem determinado) um dos dois restantes e se determina, mediante cuidadosas medidas que variação sofreu aquele fator restante. Isso se repete ciclicamente até esgotar toda a série. 

Eis um exemplo prático: queremos estudar o alongamento que uma mola que tem uma das suas extremidades fixa experimenta, quando colocamos 'pesos aferidos' na outra extremidade. Há um conjunto de grandezas que, de início, poderão ser consideradas com valores invariáveis (temperatura do recinto onde se faz o experimento, a pressão barométrica dentro do mesmo, a umidade relativa do ar etc.), que correspondem ás variáveis controladas. Nesse caso, a medida da deformação da mola (seu alongamento) será a variável dependente e o 'peso' (massa aferida ou massor) que colocamos na extremidade livre será a variável independente (nós escolhemos os valores desses pesos).

2 A construção de tabelas e gráficosA construção de tabelas consiste em ordenar os dados numéricos obtidos para a variável dependente em correspondência com os dados numéricos da variável independente. Sempre devemos especificar asunidades com as quais se medem essas duas variáveis em jogo. Normalmente se utilizam de parêntesis em continuação a seus nomes. No caso da mola, a tabela poderia ser assim:

massa colocada (g)	10	15	20	25	30	35
alongamento (cm)	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5

.

Montagem do experimento e a relação linear (y = k.x).

A representação gráfica consiste em transferir os dados das medidas (pares ordenados) para um sistema de eixos cartesianos ortogonais onde, normalmente, a variável independente se faz corresponder ao eixo X (eixo das abscissas)  enquanto que a variável dependente se faz corresponder ao eixo Y (eixo das ordenadas).

Denominamos 'ajuste do gráfico' ao procedimento mediante o qual se determina qual a melhor linha que passa (que se ajusta) por todos os pontos (ou pela maioria deles) do gráfico, representativo dos pares ordenados. Na maioria dos casos, os gráficos que se obtém são linhas retas, o que indica que a relação entre as grandezas físicas representadas é da forma Y = k.X, onde k é uma constante. Veja ilustração acima.

Em outros casos, a relação entre as grandezas pode ser do tipo 'parabólico', o que matematicamente se representará por Y = k.x² , ou do tipo 'hiperbólico', cuja expressão será da forma X.Y = k.

Relação 'parabólica' (y =  k.x²)        e       Relação 'hiperbólica' (x.y = k).

As conclusões e a comunicação de resultadosA análise dos dados e a comprovação das hipóteses levam os cientistas a emitirem suas conclusões, que podem ser empíricas, ou seja, baseadas na experimentação ou dedutivas, ou seja, obtidas mediante um processo de raciocínio do qual se parte de uma verdade conhecida (premissa verdadeira) até chegar á explicação do fenômeno.

A imprensa científica comunica os resultados obtidos pelos investigadores.

Uma vez bem solidifica essas conclusões, estas devem ser comunicadas e divulgadas para o restante da comunidade científica para que sirvam de ponto de partida para outros descobrimentos ou como fundamento de uma aplicação tecnológica prática.

  Qual o caminho trilhado para se chegar á explicação da formação do arco-íris?

O primeiro cientista que estudou de forma rigorosa a decomposição da luz foi Isaac Newton (1642 - 1727) e suas publicações serviram para que, posteriormente, a formação do arco-íris pudesse ser bem explicada. Mais adiante ainda, a tecnologia aproveitou o fenômeno da refração da luz e foram inventados numerosos instrumentos ópticos, como máquinas fotográficas, projetores etc. em cujo funcionamento intervêm esse fenômeno.

A elaboração de Leis e TeoriasO estudo científico de todos os aspectos de um fenômeno natural leva á elaboração de leis e teorias.

* Uma lei científica é uma hipótese que tenha sido comprovada sua validade.

* Uma teoria científica é um conjunto de leis que explicam um determinado fenômeno ou grupo deles.

Assim, por exemplo, a hipótese comprovada de que o arco-íris se forma devido á refração que a luz branca (solar) experimenta ao atravessar as gotas de chuva, é uma lei integrante de um conjunto de leis que regem outros fenômenos luminosos (reflexão, dispersão, difração etc.). Esse conjunto é conhecido como a Teoria sobre a luz.

Tanto as leis como as teorias devem cumprir os seguintes requisitos:

a) Devem ser gerais, ou seja, não devem explicar apenas casos particulares de um fenômeno.

b) Devem ser comprovadas, ou seja, devem estar alavancadas (avalizadas)(corroboradas)(assentadas)
    pela experimentação.

c) Devem, quando possível, estar 'matematizadas', ou seja, devem poder expressar-se mediante funções    matemáticas.

As teorias científicas têm validade até que sejam incapazes de explicar determinados fatos ou fenômenos, ou até que algum descobrimento novo comprovado se oponha a elas. A partir de então, os cientistas começam a elaborar outra teoria que possa explicar esses novos descobrimentos. A Ciência é conhecimento evolutivo e não estacionário.

  A que conclusão você chegaria se viesse a ver um arco-íris em um dia sem chuva?

De acordo com o que até agora foi estudado, a teoria da luz exige que, para que se produza o arco-íris é preciso que chova, para que as gotas de água possam decompor a luz solar em suas sete cores. Se no ambiente não houver água, teremos que repensar sobre a mencionada teoria e tentar completá-la com outros argumentos (novas hipóteses, novas comprovações) que passem a explicar o fenômeno observado. Se tal não for possível toda teoria cairá por terra.