Recopilación y análisis de datos para investigaciones físicas

¿Qué es una investigación en física?

La física es una ciencia que intenta explicar todo el universo reduciéndolo a un conjunto de explicaciones simples y leyes matemáticas. Como todas las ciencias, una gran parte de cómo se hace esto es mediante la realización de investigaciones y la recopilación de datos. Por lo tanto, es importante que cualquier físico en ciernes sepa cómo recopilar datos de manera confiable y qué hacer con ellos cuando los tenga.

Para que una investigación en física sea particularmente útil, debe centrarse en dos variables: la variable independiente y la variable dependiente. La variable independiente es lo que está cambiando en el experimento y la variable dependiente es el resultado que está viendo en el experimento. Entonces, por ejemplo, si está midiendo el efecto del área de la superficie en el tiempo que tarda un objeto en caer una distancia conocida, su variable independiente es el área de la superficie y la variable dependiente es el tiempo que tarda en caer.

En un experimento de física, es importante que todas las demás variables permanezcan exactamente iguales. (En nuestro experimento de área de superficie, esa sería la misma masa de objeto, la misma distancia para caer, las mismas condiciones ambientales, el mismo material, etc.). Si cualquier otra variable cambia, no será posible decir asegúrese de que las dos variables que está investigando estén realmente relacionadas de la forma en que parecen estar.

Recolectando datos

Al recopilar datos para un experimento de física, hay un par de cosas a tener en cuenta: técnica de medición, ensayos e incertidumbre experimental.

Su técnica de medición es importante porque afecta la calidad de sus datos. Si está midiendo una distancia, por ejemplo, su ojo debe estar directamente en línea con la regla o cinta métrica que está usando. O si está midiendo el tiempo que tarda el objeto en caer, debe usar sus ojos para ver cuándo el objeto alcanza un punto marcado: la velocidad de la luz es más rápida que la velocidad del sonido, por lo que los ojos son mejores que los oídos.

También es importante hacer varias pruebas , lo que significa repetir su experimento varias veces. Cuantas más pruebas haga, mejor será su valor promedio.

Por último, siempre debe considerar la incertidumbre involucrada en cualquier medición. Parte de esta incertidumbre proviene de los instrumentos, lo que llamamos error de medición. Por ejemplo, una regla podría medir solo al medio milímetro más cercano en el mejor de los casos; si sus ojos son malos, tal vez solo al milímetro más cercano. Y una báscula también tiene un rango de precisión, que puede consultar en el libro de instrucciones o comunicándose con el fabricante. (El número de posiciones decimales puede indicarle la precisión, pero eso no siempre es confiable). La incertidumbre de la medición siempre debe anotarse. Por ejemplo, tal vez midió 56 milímetros, más o menos 1 milímetro.

Pero también existe la incertidumbre humana, que llamamos error aleatorio. Nadie puede presionar el botón del cronómetro en el momento exacto, todo el tiempo. Sus resultados variarán alrededor del valor real y se necesitará un promedio. Pero se debe anotar el tiempo de reacción humano. Quizás pueda reaccionar lo suficientemente rápido como para obtener una medición al 0.2 segundos más cercano. Entonces, si mide un tiempo de 5 segundos, en realidad son 5 segundos más o menos 0.2 segundos.

Analizar datos

El análisis de datos es cuando se junta la investigación para llegar a algunas conclusiones. En otras palabras, observa sus resultados y considera lo que podrían significar. En física, el primer y más importante gráfico que creamos es un diagrama de dispersión que muestra cómo se relacionan las dos variables entre sí. Generalmente colocamos la variable dependiente en el eje y del gráfico y la variable independiente en el eje x . Trace sus datos como pequeñas cruces.

A continuación, trace una línea de mejor ajuste a través de los datos. Esta es una línea que representa mejor los datos mostrados, una que se acerca lo más posible a todos los puntos de datos.

Gráfico de dispersión con la línea de mejor ajuste

Una línea de mejor ajuste no tiene que ser recta; si parece que los datos son curvos, dibuje una curva. Esto se puede hacer a simple vista con papel y lápiz, o se puede calcular con mayor precisión usando una computadora.

Las líneas de mejor ajuste no siempre son rectas

Luego, agregue la incertidumbre de sus valores usando barras de error. Si su medición fue de 5 segundos más o menos 0.2 segundos, entonces sus barras de error deberían extenderse entre 4.8 y 5.2. Esto le muestra el rango en el que es probable, pero no seguro, que se encuentre el valor real. La probabilidad de que esté dentro de ese rango está representada por una convención matemática conocida como desviación estándar. Siguiendo esta convención, una desviación estándar en una distribución normal es 68%, lo que representa una probabilidad del 68% de que su valor real esté en el rango de la barra de error. La misma regla muestra que hay un 95% de posibilidades de que sus datos estén dentro de dos desviaciones estándar y un 99% de posibilidades de que estén dentro de tres. En física, las barras de error generalmente representan una desviación estándar, mientras que en la investigación médica dos desviaciones estándar son más comunes.

Línea de mejor ajuste con barras de error

Por último, necesitamos darle sentido a nuestros datos. Podemos comenzar calculando la ecuación de la línea de mejor ajuste, que representa la relación entre nuestras dos variables. Con una línea recta, esto implica encontrar la pendiente y la intersección con el eje y. Con una curva es más complicado, pero una computadora puede ayudar. De aquí es de donde provienen muchas de las ecuaciones en física: encontrar la ecuación que relaciona las dos variables en un gráfico. Quizás el tiempo que tarda un objeto en caer se duplica cuando el área de superficie se duplica. Quizás el tiempo que tarda en caer es la raíz cuadrada del área de la superficie más 6. Sea lo que sea, puedes usar esta ecuación para llegar a una conclusión sobre tus datos.

Las barras de error pueden ayudar con esto: le indican qué tan buenos son sus datos y qué tan probable es que su relación sea válida. Es posible que tenga una línea diagonal maravillosa, pero si las barras de error son enormes, no le dice mucho; la línea real de mejor ajuste podría estar en cualquier lugar dentro de esas barras de error.

Debido a las grandes barras de error, cualquiera de las líneas rojas podría resultar ser la relación real

Resumen de la lección

Las investigaciones de física implican dos pasos principales: cambiar una variable independiente y ver cómo afecta a una variable dependiente. Se deben tomar medidas cuidadosas en múltiples ensayos y siempre se deben anotar las incertidumbres. Estas incertidumbres incluyen errores de medición, como la precisión del instrumento o errores humanos aleatorios, como la rapidez con la que puede reaccionar para cada prueba. Los errores humanos se pueden mitigar realizando múltiples pruebas y promediando los números.

Al analizar los datos, graficamos la variable independiente en el eje xy la variable dependiente en el eje y . Luego trazamos una línea (o curva) de mejor ajuste que se acerque lo más posible a tantos puntos de datos como sea posible y, por lo tanto, represente mejor los datos. A continuación, trazamos las barras de error para mostrar las incertidumbres. Por último, averiguamos la relación entre las dos variables encontrando la ecuación de la línea de mejor ajuste. Si las barras de error no son demasiado grandes, podemos usar esto para sacar conclusiones.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador