This article is one of a series intended to teach students about how science is done, from creating a hypothesis to designing a experimental to analysing the results with statistics. Voit toistaa vaiheet täällä ja vertailla tuloksia — tai käyttää tätä inspiraationa suunnitella oman kokeilun.
rock-karkin tekeminen kotona vaatii vain kaksi raaka-ainetta: vettä ja sokeria. Paljon sokeria, kuten sain tietää, kun suoritin rock-karkkikokeilun vuonna 2018 (ja makea loppui kesken). Useimmissa resepteissä suositellaan käyttämään noin kolme kertaa niin paljon sokeria kuin vettä. Se on niin paljon, että tuntuu tuhlaukselta. Nähdäkseni, selviäisinkö vähemmällä, tein toisen kokeen.
juonipaljastus: vähemmän sokeria ei ole ratkaisu.
edellisessä kokeessani osoitin, että siemenkiteet ovat erittäin tärkeitä kivikarkkien luomisessa. Muutaman sokerinjyvän Paneminen tikkuun tai naruun edistää isompien kiteiden muodostumista. Tämä nopeuttaa karkkien tekoa.
olin laskenut, että tehdäkseni tarpeeksi kivikarkkeja tuohon kokeeseen minun pitäisi täyttää 52 muovikuppia sokeriliuoksella. Karkkireseptissä käytettiin kuitenkin enemmän sokeria kuin odotin ja se loppui nopeasti. Tämä johtuu siitä, että resepti vaati yhden kilon (8 kuppia) sokeria jokaista 300 grammaa (2,7 kuppia) vettä kohti. Sokeri-vesi-suhde on 3:1. Lopulta jouduin tekemään kokeiluni vain 18 muovimukilla.
kaikki järjestyi lopulta ja pääsin testaamaan hypoteesiani. Mutta mietin, olisinko voinut käyttää vähemmän sokeria ja enemmän vettä. Asian selvittämiseksi toinen kokeilu oli paikallaan.
ylikyllästetyn sokerin
kivikarkkien valmistus alkaa sokerin liuottamisella veteen. Reseptin sokerin ja veden suhde on kuitenkin niin suuri, ettei sokeri liukene ilman apua. Vaikka kuinka sekoittaisin, sokeria on liikaa.
se muuttuu, kun veden lämpötila nousee. Kun vesi lämpenee, yksittäiset vesimolekyylit liikkuvat yhä nopeammin. Nuo nopeat molekyylit voivat helpommin hajottaa veteen joutuneita sokerikiteitä. Pian kaikki sokeri liukenee veteen ja vesi muuttuu kirkkaaksi.
tämä ratkaisu ei kuitenkaan ole vakaa. Se on superkyllästetty liuos. Vesi sisältää enemmän sokeria kuin se kestää huoneenlämmössä. Kun vesi jäähtyy, sokeri saostuu hitaasti ja muuttuu jälleen kiinteäksi. Jos sokerikiteissä on jotain kiinnitettävää — esimerkiksi tikku tai narun pala, jossa on jo hieman sokeria — ne tuppaavat kiinnittymään siihen. Ajan myötä sokerikiteet takertuvat yhteen niin paljon, että niistä syntyy kivikarkkeja.
mutta kuinka ylikylläinen minun ratkaisuni pitää olla, jotta voin tehdä kivikarkkeja? Selvittääkseni tämän, aloitan toteamalla, että voin testata-hypoteesi. Hypoteesini on, että käyttämällä alhaisempaa sokerin ja veden suhdetta liuoksessani syntyy vähemmän kivikarkkia kuin seosta, jossa on korkea sokeripitoisuus.
Keittokarkki
tämän hypoteesin testaamiseksi tein kolme erää kivikarkkia. Ensimmäinen erä on minun kontrollini-alkuperäinen rock-karkkiresepti, jossa on 3: 1-suhde sokeria veteen, ylikyllästetty liuos. Toisessa erässä käytettiin sokeri-vesi-suhdetta 1:1. Tämä liuos on kylläinen-sokeri menee liuokseen sekoittaen ja ehkä hieman lämpöä. Kolmannen ryhmän liuoksessa sokeri-vesi-suhde on 0,33:1. Tämä liuos ei ole kylläinen, vaan sokeri liukenee veteen huoneenlämmössä.
en voi tehdä vain yhtä kivikarkkia jokaista testitilannetta varten. Minun täytyy toistaa kokeeni ja tehdä tarpeeksi kivikarkkia huomatakseni eron kolmen ryhmän välillä. Tässä kokeessa se tarkoitti 12 Rock-karkkierän kypsentämistä kullekin ryhmälle.
olen tehnyt rock-karkkia kokeiluun aiemminkin. Tällä kertaa tein muutamia muutoksia:
- mittaa ja leikkaa 36 puhdasta narua. Varmista, että narua on tarpeeksi, jotta voit sitoa kiinni kupin yläpuolella olevan tikun, mutta jätä naru silti roikkumaan sokeriliuokseen.
- kasta narun toinen pää 12,7 senttimetriä puhtaaseen veteen ja rullaa se sitten pienessä sokerikasassa. Laita sivuun kuivumaan.
- mukaan 36 muovi-tai lasikuppia.
- Kiehauta vesi ja sokeri isossa kattilassa sekoittaen. Pidä silmällä sekoitustasi. Kun vesi alkaa kiehua, sokerin pitäisi poksahtaa liuokseen ja vesi kirkastuu.
- 3: 1-liuosta varten sekoitetaan 512 grammaa (4 kuppia) vettä ja 1,5 kiloa (12 kuppia) sokeria. Tein kaksi erää, joissa päädyin käyttämään yhteensä noin 8 kuppia vettä ja 24 kuppia sokeria.
- 1: 1-liuosta varten lisää kattilaan yhtä paljon sokeria ja vettä ja kiehauta. 12 kuppia vettä varten tarvitset siis 12 kuppia sokeria.
- 0,33: 1-ratkaisua varten 15 kuppia vettä ja 5 kuppia sokeria pitäisi olla runsaasti.
- kun liuos on kirkas, lisää elintarvikeväriä saadaksesi halutun värin. Käytin punaista minun 3:1 ratkaisu, vihreää minun 1:1 ratkaisu ja sinistä minun 0.33: 1 ratkaisu.
- jos liuos on kuumaa, kannattaa odottaa muutama minuutti ennen kuin kaadat sen kuppeihin. Jos kupit ovat ohuita, halpaa muovia, kuuma neste saattaa saada ne sulamaan ja painumaan kasaan. (Tämä tapahtui minulle; minun punaiset kupit olivat surullisia ja roikkuva alareunassa.)
- kaada mittamukia käyttäen 300 millilitraa (10 nesteunssia, hieman enemmän kuin kuppi) liuosta kuhunkin kuppiin. Voit joutua tekemään toisen erän tai kaksi kutakin liuosta, kunnes sinulla on tarpeeksi täyttää kaikki 12 kuppia kussakin ryhmässä.
- punnitse jokainen naru ennen kuin kastat sen liuokseen. Käytä mittakaavassa löytää massa kunkin merkkijonon grammoina (jokainen minun painoi noin gramma). Kun olet huomannut massan, kasta tikku varovasti sokeriliuoksen kuppiin ja kiinnitä se sitten paikalleen. Varmista, ettei naru kosketa kupin pohjaa tai sivuja. Sidoin jokaisen narun puiseen vartaaseen, joka oli asetettu useiden kuppien väliin.
- laita kaikki kupit viileään, kuivaan paikkaan, jossa ne eivät häiriinny.
- odota. Kuinka kauan? Alat nähdä sokerikiteiden muodostuvan noin päivän kuluttua. Mutta jos haluaa karkkia syötäväksi, kannattaa odottaa ainakin viisi päivää.
kokeen lopussa otetaan asteikko uudestaan esiin. Vedä jokainen naru ulos kupistaan, varmista, ettei se valu, ja punnitse se toisen kerran. Pitäisikö sinun syödä se? Ehkä ei.
on tietosi ja syödä sitä liian?
selvittääksesi, kuinka paljon kivikarkkia teit kussakin ryhmässä, vähennä kokeen alussa jokaisen narun paino karkkipäällysteisen narun painosta. Se kertoo, kuinka monta grammaa sokerikiteitä oli kasvanut.
viisipäiväisen kokeiluni päätteeksi loin tuloksistani taulukkolaskennan, jossa jokainen ryhmä sai oman palstansa. Alimmaisena laskin keskivertokiteen kasvun kullekin ryhmälle.
superkyllästynyt verrokkiryhmäni kasvatti keskimäärin 10,5 grammaa karkkia. Karkit näyttivät vaaleanpunaisilta ja maukkailta. Mutta muut ryhmäni kasvoivat keskimäärin-nolla grammaa karkkia. Ne näyttivät märiltä sinisiltä tai vihreiltä narunpaloilta. Osassa kupeista kasvoi jopa hometta. (Ällöä. Älä syö niitä.)
olivatko nämä kolme ryhmää erilaisia? Superkyllästynyt ryhmä vaikutti varmasti erilaiselta. Mutta ollakseni varma, minun täytyi tehdä joitakin tilastoja-testejä, jotka tulkitsevat havaintojani.
ensimmäinen tekemäni testi oli varianssin eli anovan analyysi. Tätä testiä käytetään vertailemaan kolmen tai useamman ryhmän keinoja. On ilmaisia laskimia, jotka suorittavat tämän testin sinulle verkossa. Käytin sitä, joka oli hyvissä laskimissa.
tästä testistä saa kaksi tulosta, F-stat-arvon ja p-arvon. F-stat on luku, joka kertoo, jos kolme tai useampia ryhmiä on erilaisia keskenään. Mitä korkeampi F-stat, sitä todennäköisempää on, että ryhmät eroavat toisistaan jollain tavalla. F-tilastoni oli 42,8. Se on hyvin suuri, noiden kolmen ryhmän välillä on suuri ero.
p-arvo on todennäköisyyden mitta. Siinä mitataan, kuinka todennäköistä on, että pelkästään sattumalta kolmen ryhmäni välillä olisi vähintään yhtä suuri ero kuin mietinnössäni. Monet tiedemiehet pitävät alle 0,05: n (tai viiden prosentin) p-arvoa tilastollisesti ”merkitsevänä.”Hyvistä laskijoista saamani p-arvo oli niin pieni, että sen ilmoitettiin olevan 0. On 0 prosentin mahdollisuus, että näkisin näin suuren eron vahingossa.
mutta nämä ovat vain lukuja, jotka kertovat kolmen ryhmän erosta. He eivät kerro, missä ero on. Onko se verrokkiryhmän ja 0.33:1-ryhmän välissä? 1: 1 ryhmä ja 0.33: 1 ryhmä? Molempia? Ei kumpaakaan? Ei aavistustakaan.
oppiakseni minun on suoritettava toinen testi. Tätä testiä kutsutaan post-hoc-testiksi — sellaiseksi, jonka avulla voin analysoida tietojani tarkemmin. Jälkitestejä tulisi käyttää vain silloin, kun on merkittävä tulos analysoitavana.
jälkitestejä on monenlaisia. Käytin Tukeyn range-testiä. Se vertailee kaikkia keinoja kaikkien ryhmien välillä. Niinpä se vertaa 3:1:n suhdetta 1:1: een, sitten 3: 1: stä 0,33: een 1: een ja lopuksi 1: 1: stä 0,33: een 1: een. Jokaiselle Tukeyn range-testi antaa p-arvon.
Tukeyn range-testi osoitti, että 3:1-verrokkiryhmä oli merkittävästi erilainen kuin 1: 1 (p-arvo 0,01, yhden prosentin todennäköisyys erolle). 3:1-ryhmä oli myös merkittävästi erilainen kuin 0.33: 1 (p-arvo 0.01). Mutta 1:1 ja 0.33: 1 ryhmät eivät poikenneet toisistaan (mitä voisi odottaa, sillä molemmat olivat keskimäärin nolla kidekasvua). Tein graafin näyttääkseni tulokseni.
tämä kokeilu vaikuttaa melko selvältä: jos haluat rock-karkkia, tarvitset paljon sokeria. Superkyllästetty liuos on välttämätön, jotta sokeri voi kiteytyä naruusi.
mutta aina on asioita, jotka tutkija voi tehdä paremmin missä tahansa tutkimuksessa. Minulla oli esimerkiksi kolme ryhmää, joissa oli erilaisia määriä sokeria vedessä. Mutta toinen hyvä kontrolli — ryhmä, jossa mikään ei muutu-olisi sellainen, jossa ei ole lainkaan sokeria vedessä. Seuraavan kerran, kun haluan tehdä itselleni karkkia, minulla on toinen koe tehtävänä.
tarvikeluettelo
rakeistettu sokeri (6 pussia, 6,36 dollaria kappale)
grillivartaat (100, 4,99 dollaria)
kirkkaat muovikupit (100, 6,17 dollaria)
String (2,84 Dollaria)
suuri potti (4 quartia, 11,99 dollaria)
Mittakupit ($7,46)
scotch tape ($1,99)
food coloring ($3,66)
roll of talouspaperi ($0,98)
nitriili-tai lateksikäsineet ($4,24)
small digital scale ($11.85)