Este artigo é um de uma série de Experimentos com o objetivo de ensinar os alunos sobre como a ciência é feita, desde a geração de uma hipótese para a concepção de um experimento para analisar os resultados com as estatísticas. Você pode repetir as etapas aqui e comparar seus resultados-ou usar isso como inspiração para projetar seu próprio experimento.
fazer doces de rock em casa requer apenas dois ingredientes-água e açúcar. Muito açúcar, como descobri quando fiz um experimento de rock candy em 2018 (e fiquei sem as coisas doces). A maioria das receitas recomenda o uso de cerca de três vezes mais açúcar que a água. Isso é muito, parece um desperdício. Para ver se conseguia fugir com menos, fiz outra experiência. Spoiler: menos açúcar não é a resposta.
no meu experimento anterior, mostrei que os cristais de sementes são muito importantes para a criação de doces de rocha. Colocar alguns grãos de açúcar em um palito ou barbante promove a formação de cristais maiores. Isso acelera a fabricação de doces.
eu calculei que para fazer doces de rocha suficientes para esse experimento, eu precisaria encher 52 xícaras de plástico com uma solução de açúcar. Mas a receita de doces usava mais açúcar do que eu esperava e rapidamente acabei. Isso porque a receita exigia um quilo (8 xícaras) de açúcar para cada 300 gramas (2,7 xícaras) de água. Essa é uma proporção de açúcar para água de 3: 1. No final, tive que fazer meu experimento com apenas 18 copos de plástico.
tudo funcionou no final e eu fui capaz de testar minha hipótese. Mas eu me perguntei se eu poderia ter usado menos açúcar e mais água. Para descobrir, outro experimento estava em ordem.
açúcar super-saturado
fazer doces de rocha começa com a dissolução do açúcar na água. A proporção da receita de açúcar para água é tão alta, porém, que o açúcar não se dissolve sem alguma ajuda. Não importa o quanto eu mexa, há muito açúcar.
que muda quando a temperatura da água aumenta. À medida que a água aquece, as moléculas de água individuais se movem cada vez mais rápido. Essas moléculas rápidas podem quebrar mais facilmente os cristais de açúcar que foram despejados na água. Logo, todo o açúcar se dissolve na água e a água fica clara.
esta solução não é estável, no entanto. É uma solução super saturada. A água contém mais açúcar do que pode conter à temperatura ambiente. À medida que a água esfria, o açúcar se precipita lentamente — tornando-se sólido novamente. Se os cristais de açúcar tiverem algo a que anexar — como um pedaço de pau ou barbante com um pouco de açúcar já nele-eles tenderão a se prender lá. Com o tempo, cristais de açúcar suficientes se juntam para fazer um pedaço de doce de rocha.
mas quão super saturada minha solução precisa ser para fazer doces de rock? Para descobrir isso, vou começar com uma declaração que posso testar — uma hipótese. Minha hipótese é que usar uma proporção menor de açúcar para água em minha solução produzirá menos doces de rocha do que uma mistura com alta concentração de açúcar.
cozinhando doces
para testar esta hipótese, fiz três lotes de doces de rocha. O primeiro lote é o meu controle-a receita original do Rock candy com uma proporção de 3: 1 de açúcar para água, uma solução super saturada. Um segundo lote usou uma proporção de açúcar para água de 1: 1. Essa solução está saturada-o açúcar entra em solução com agitação e talvez um pouco de calor. O terceiro grupo tem uma solução com uma proporção de açúcar para água de 0,33: 1. Esta solução não está saturada; o açúcar se dissolve na água à temperatura ambiente.
eu não posso fazer apenas um pedaço de doce de rocha para cada condição de teste. Preciso repetir meu experimento e fazer doces de pedra suficientes para detectar a diferença entre os três grupos. Para este experimento, isso significava cozinhar 12 lotes de doces de rocha para cada grupo.
eu fiz Rock candy para um experimento antes. Desta vez, fiz algumas mudanças:
- Meça e corte 36 pedaços limpos de barbante. Certifique-se de que haja corda suficiente para amarrar uma vara acima do copo, enquanto ainda deixa corda para balançar na solução de açúcar.
- mergulhe uma extremidade da corda 12,7 centímetros (5 polegadas) em um copo de água limpa e, em seguida, enrole-a em uma pequena pilha de açúcar. Reserve para secar.
- exponha 36 copos de plástico ou vidro.
- em uma panela grande, leve a água e o açúcar para ferver, mexendo. Fique de olho na sua mistura. Quando a água ferver, o açúcar deve entrar em solução e a água ficará clara.
- para sua solução 3:1, misture 512 gramas (4 xícaras) de água e 1,5 kg (12 xícaras) de açúcar. Fiz dois lotes, que acabaram usando cerca de 8 xícaras de água e 24 xícaras de açúcar no total.
- para a solução 1:1, Adicione quantidades iguais de açúcar e água à panela e deixe ferver. Então, para 12 xícaras de água, você precisaria de 12 xícaras de açúcar.
- para a solução 0,33:1, 15 xícaras de água e 5 xícaras de açúcar devem ser suficientes.
- quando a solução estiver limpa, adicione corante alimentar para obter a cor desejada. Usei vermelho para minha solução 3:1, Verde para minha solução 1:1 e azul para minha solução 0.33:1.
- se sua solução estiver quente, você pode querer esperar alguns minutos antes de despejá-la nos copos. Se os copos são finos, plástico barato, o líquido quente pode fazê-los derreter e ceder. (Isso aconteceu comigo; meus copos vermelhos estavam tristes e flácidos no fundo.)
- usando um copo medidor, despeje 300 mililitros (10 onças fluidas, um pouco mais de um copo) da solução em cada copo. Você pode precisar fazer outro lote ou dois de cada solução até ter o suficiente para preencher todas as 12 xícaras em cada grupo.
- pese cada corda antes de mergulhá-la na solução. Use uma balança para encontrar a massa de cada corda em gramas (cada uma das minhas pesava cerca de um grama). Depois de observar a massa, mergulhe o palito cuidadosamente em uma xícara da solução de açúcar e prenda-o no lugar. Certifique-se de que a corda não toque na parte inferior ou nas laterais do copo. Amarrei cada corda a um espeto de madeira colocado em várias xícaras.
- Coloque todas as xícaras em um local fresco e seco, onde não serão perturbadas.
- espera. Quanto tempo? Você começará a ver cristais de açúcar se formarem após um dia ou mais. Mas se você quiser doces para comer, você vai querer esperar pelo menos cinco dias.
no final do experimento, saia da escala novamente. Puxe cada corda para fora de seu copo, certifique-se de que não está pingando e pese-o uma segunda vez. Você deve comê-lo? Talvez não.
tem seus dados e comê-lo também?
para descobrir quanto doce de rocha você fez em cada grupo, subtraia o peso de cada corda no início do experimento do peso da corda revestida de doces. Isso lhe dirá quantos gramas de cristais de açúcar haviam crescido.
no final do meu experimento de cinco dias, criei uma planilha dos meus resultados, com cada grupo recebendo sua própria coluna. Na parte inferior, calculei a média — o crescimento médio do cristal — para cada grupo.
meu grupo de controle super-saturado cresceu 10,5 gramas de doces em média. O doce parecia rosa e saboroso. Mas meus outros grupos cresceram em média — zero gramas de doces. Eles pareciam pedaços de corda azuis ou verdes encharcados. Alguns dos copos até cresceram mofo. (Bruto. Não comas isso.)
os três grupos eram diferentes um do outro? Certamente parecia que o grupo super saturado era diferente. Mas, para ter certeza, eu precisava executar algumas estatísticas — testes que interpretarão minhas descobertas.
o primeiro teste que fiz foi uma análise de variância, ou ANOVA. Este teste é usado para comparar os meios de três ou mais grupos. Existem calculadoras gratuitas que executarão este teste para você online. Eu usei aquele em boas Calculadoras.
este teste fornece dois resultados, um F-stat e um valor p. Um F-stat é um número que informa se três ou mais grupos são diferentes um do outro. Quanto maior o f-stat, mais provável é que os grupos sejam diferentes uns dos outros de alguma forma. Meu F-stat foi 42.8. Isso é muito grande; há uma grande diferença entre esses três grupos.
o valor p é uma medida de probabilidade. Ele mede a probabilidade de eu encontrar por acidente apenas diferenças entre meus três grupos que eram pelo menos tão grandes quanto o que eu relatei. Um valor de p inferior a 0,05 (ou cinco por cento) é considerado por muitos cientistas como estatisticamente “significativo.”O valor p que recebi de boas Calculadoras era tão pequeno que foi relatado como 0. Há uma chance de 0% que eu veria uma diferença tão grande por acidente.
mas estes são apenas números que relatam uma diferença entre os três grupos. Eles não me dizem Onde está a diferença. É entre o grupo de controle e o grupo 0.33:1? O grupo 1:1 e o grupo 0.33:1? Ambos? Nem? Não faço ideia.
para aprender, preciso executar outro teste. Este teste é chamado de Teste post-hoc — um que me permite analisar mais meus dados. Testes Post-hoc só devem ser usados quando você tiver um resultado significativo para analisar.
existem muitos tipos de testes post-hoc. Usei o teste de alcance do Tukey. Ele irá comparar todos os meios entre todos os grupos. Portanto, comparará a proporção de 3:1 com a 1:1, depois 3:1 a 0,33 a 1 e, finalmente, 1:1 a 0,33 a 1. Para cada um, o teste de intervalo do Tukey dá um valor p.
meu teste de alcance de Tukey mostrou que o grupo de controle 3:1 era significativamente diferente do 1:1 (um valor de p de 0,01, uma chance de um por cento de uma diferença). O grupo 3:1 também foi significativamente diferente do 0,33:1 (um valor p de 0,01). Mas os grupos 1:1 e 0.33:1 não eram diferentes uns dos outros (o que você esperaria, já que ambos tinham uma média de crescimento de cristal zero). Fiz um gráfico para mostrar meus resultados.
este experimento parece bastante claro: se você quer doces de rock, você precisa de muito açúcar. A solução super-saturada é uma obrigação para que o açúcar possa cristalizar em sua corda.
mas sempre há coisas que um cientista pode fazer melhor em qualquer estudo. Por exemplo, eu tinha três grupos com diferentes quantidades de açúcar na água. Mas outro bom controle – um grupo onde nada muda-seria aquele sem açúcar na água. Da próxima vez que eu quiser me fazer um doce, eu tenho outro experimento para fazer.
Lista de Materiais
açúcar Granulado (6 sacos, $6.36 cada)
Grill-espetos (pacote com 100, us $4,99)
Limpar copos de plástico (pacote com 100, $6.17)
String ($2.84)
panela Grande (4 quartos, $11.99)
Medição de copos ($7.46)
fita adesiva ($1.99)
corante Alimentar ($3.66)
Rolo de toalhas de papel ($0.98)
Nitrilo ou luvas de látex ($4.24)
Pequena escala digital (us$11.85)