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Ejemplos de investigación 1. Descubrimiento de los Rayos X ¿Cuál es el problema? A mediados del siglo XIX se descubrió que al aplicar una diferencia de potencial entre dos placas, colocadas dentro de una ampolla o tubo de vidrio "vacío" (supuestamente sin ninguna molécula dentro), se producía una descarga eléctrica. Debido a lo imperfecto de las bombas de vacío disponibles, quedaban muchos iones y electrones en el interior de la ampolla (llamado gas residual), los que conducían la descarga eléctrica. Si se agujeraba la placa positiva (ánodo), era atravesada por el haz proveniente de la placa negativa (cátodo) que, al incidir sobre el vidrio de la ampolla, le inducía una fluorescencia verde. Por muchos años se investigaron las propiedades del haz provenientes del cátodo, y cuando se descubrió que se propagaban en línea recta, se les llamó rayos catódicos. En la actualidad sabemos que dichos rayos son electrones acelerados por el campo eléctrico entre las placas (cátodo-ánodo); pero la evidencia para determinarlo se colectó poco a poco. En 1892, Hertz descubrió que los rayos catódicos podían atravesar placas metálicas delgadas, lo que favorecía la interpretación ondulatoria de su propagación; tal descubrimiento dio lugar a que varios laboratorios trabajaran simultáneamente en relación con las propiedades de las descargas en gases. En 1895, W. Röntgen trabajaba en uno de esos laboratorios y por "casualidad" observo que una sustancia, colocada en uno de los estantes, brillaba débilmente cuando se producía la descarga eléctrica dentro del tubo vacío. La sustancia era platino- cianuro de bario, que tiene la propiedad de transformar la energía de radiación invisible al ojo humano en luz visible, fenómeno llamado fluorescencia. Dicha propiedad se usa mucho en las discotecas modernas al iluminar con este tipo de luz la pista de baile, para que la telas que contengan sustancias fluorescentes, brillen con aspecto fantasmal. En aquella época ya era conocido el fenómeno de fluorescencia y se sabía que la luz del Sol y las lámparas de arco que emitían luz ultravioleta; con estos conocimientos y la observación de que el platino-cianuro de bario era fluorescente al producirse la descarga eléctrica en el tubo, Röntgen se planteó la siguiente pregunta: ¿La fluorescencia del platino-cianuro de bario de debe a la emisión de la luz ultravioleta producida por la descarga eléctrica en el tubo, o es un efecto nuevo del fenómeno de fluorescencia? 2. Síntesis del amoniaco a partir de sus elementos. (Opcional) ¿Cuál es el problema?


El desarrollo de la agricultura intensiva requiere del empleo masivo de fertilizantes cuya producción se basa en compuestos nitrogenados, debido a que las plantas necesitan del nitrógeno para su desarrollo ya que no son capaces de fijarlo directamente del aire que lo contiene en gran cantidad. La principal fuente de nitrato de sodio se encontraba en Chile, pero su explotación intensiva no sólo ponía en peligro el abastecimiento de este compuesto nitrogenado, sino que además, calculaban que se acabaría en pocos años. Si tal situación se presentara, sería funesta tanto para el desarrollo de la agricultura como para la producción de explosivos donde también se utilizaba. El problema que se presentaba entonces consistía en sintetiza algún otro compuesto nitrogenado a partir de elementos abundantes en la naturaleza, de los cuales el más visible era el amoniaco. Fue F. Haber, en 1904, quien comenzó a investigar sobre este problema que consistía en: Obtener amoniaco (NH3) a partir de hidrógeno y nitrógeno gaseoso. Encontrar la solución, además de la aplicación inmediata que ya era una necesidad urgente, tenia un interés básico en el estudio del equilibrio y la cinética de reacciones. Así que principió por la búsqueda bibliográfica. La revisión bibliográfica le mostró que la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno, era inducida por varias formas de descarga eléctrica, con un consumo enorme de energía eléctrica. También se usaba combinar el nitrógeno con otros elementos, para que al hidrolizar el compuesto, se formara amoniaco. Se sabía que, en la naturaleza, los rayos de las tormentas combinan el nitrógeno y el oxígeno (óxido nitroso NO2), compuesto que es arrastrado a la tierra , por el agua de lluvia, proporcionando así los compuestos nitrogenados necesarios para las plantas. A la acción fijadora del nitrógeno por medio de las descargas eléctricas, se suma la acción de las bacterias del suelo, ya sean libres en la tierra o en los nódulos de las raíces de algunas plantas capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Industrialmente se obtenía como subproducto de la producción de carbón (alrededor del 1% era nitrógeno fijo): pero la demanda, estimada en millones de toneladas por año, hacía impracticable procesar el carbón sólo par obtener su nitrógeno. Los agricultores utilizaban la cianamida cálcica, obtenida haciendo reaccionar el nitrógeno con carburo de calcio, la cual a su vez se obtenía a partir de cal y carbón en un arco eléctrico. La cianamida cálcica libre amoniaco al combinarse con el agua de riego. Otra posibilidad explotada comercialmente era la formación de óxido nítrico a partir del nitrógeno y oxígeno del aire, combinado mediante descarga eléctrica. El óxido nítrico se obtenía de una reacción espontánea entre el nitrógeno y el hidrógeno, pero las pruebas hechas para provocarla aplicando presión, calor o acción catalítica de esponja de platino, no habían producido el efecto buscado. Haber llegó a la conclusión de que la fuente de nitrógeno debía ser la atmósfera, ya que abunda en el aire, y que su uso como fertilizante requería que el compuesto formado fuera amoniaco o ácido nítrico; sin embargo, todos los procesos conocidos eran caros energéticamente, lo que encarecía el producto final. Haber pensaba que combinar


nitrógeno e hidrógeno debía ser una reacción exotérmica; es decir, que genera calor, calor que a su vez podría utilizarse para mantener la temperatura adecuada de la reacción. El problema del costo de producción sería un problema típico de tecnología, el cual podría atacarse por dos caminos: bien optimizando los parámetro involucrados en la reacción, o buscar reacciones nuevas. Intentó ambos caminos, pero empezó por reinvestigar la combinación directa de nitrógeno e hidrógeno, de manera que su problema se reducía a investigar las condiciones de equilibrio de la reacción: N2+3H2<=>2NH3 3. Un Ejemplo de Investigación Experimental En un supuesto experimento se plantea la siguiente hipótesis: el método de enseñanza innovador en el área de ciencias naturales, produce un mejor rendimiento en los alumnos de séptimo grado que el método de enseñanza tradicional. En el contexto de esta hipótesis el rendimiento de los alumnos en las ciencias naturales es la variable dependiente (el fenómeno que se quiere explicar) y el método de enseñanza innovador es el estímulo. Para poner a prueba dicha hipótesis se conforman 2 grupos, uno experimental y otro de control. El primero es el que se va a ver sometido al estímulo experimental es decir recibe el tratamiento experimental o lo que es lo mismo se constituye en la muestra experimental. El segundo no está sometido al mismo tratamiento. Ahora bien, ¿cómo se conforman estos grupos? Se conforman al azar, seleccionándose estos integrantes de la misma población. ¿Por qué se construyen al azar? Pues los grupos experimentales y de control deben ser equivalentes en todo menos en la variable independiente, cuyo efecto se trata de medir. Por eso se construye de manera aleatoria para controlar variables. ¿Desde dónde se plantea qué variables controlar? Desde el marco conceptual, pues estas variables a controlar son las que podrían explicar el fenómeno de estudio. Deben considerarse como las explicaciones alternativas a la hipótesis causal que la investigación busca contrastar. En este supuesto ejemplo pueden considerarse variables de control al rendimiento histórico de los alumnos en ciencias naturales, a la formación docente del maestro a cargo, el sexo de los integrantes, el nivel socioeconómico del hogar de origen, la cantidad de personas en los grupos, nivel de instrucción de los padres. El tratamiento experimental también debe ser similar, deben poseer todos las mismas instrucciones, la duración del proceso debe ser la misma, los lugares de trabajo deben ser similares. Es importante resaltar que en este tipo de investigaciones el investigador manipula a priori (antes de la recogida de la información), las variables cuya influencia trata de medir.


Luego, esquematizando el ejemplo concreto se plantea un diseño con dos mediciones, pre-test y post-test. Con la medición pre-test se busca garantizar que se parte del mismo conocimiento en ciencias naturales. Tiempo 1 = prestest E. Experimental (M.Innov) Tiempo 2 = pos-test (X)

(X)

Muestra Exper. Rendimiento Cs. Naturales = 6 p (Y) (X)

Rendimiento Cs. Naturales = 8 p (Y’) (X)

Muestra Control Rendimiento Cs. Naturales = 6 p (Y)

Rendimiento Cs. Naturales = 6 p (Y’)

Una vez efectuado el tratamiento experimental y habiendo realizado las respectivas mediciones, se observa que aquél grupo que se vio sometido al estímulo experimental presenta un mejor rendimiento en ciencias naturales que aquél que no lo estuvo. Esas diferencias observadas deben ser estadísticamente significativas, como para poder atribuirle al método de enseñanza las diferencias observadas, y por tanto que es el método innovador el que explica el mejor rendimiento de los alumnos. 4. Un Ejemplo de Investigación Experimental Los instrumentos de análisis bacteriológicos utilizados en los laboratorios de los hospitales proceden de diversos fabricantes. Se sospecha que la calidad de estos instrumentos varía de fabricante a fabricante. Para probar esta teoría se hace una lista de fabricantes de un instrumento concreto, se seleccionan aleatoriamente los nombres de tres de los fabricantes que aparecen en la lista y se comparan las muestras de los instrumentosprocedentes de estos tres fabricantes. La comparación se realiza colocando sobre la placa 2 dosis en gotas de una suspensión medida de Escherichia coli, dejando al cultivo crecer durante veinticuatro horas y determinando después el número de colonias (en millares) del organismo que aparece al final del periodo. El propósito no es comparar precisamente estos tres fabricantes, se les eligió aleatoriamente y únicamente costituyen una muestra de todos los fabricantes de instrumentos. Más bien, lo que se busca es apoyo estadístico para el supuesto general de que la calidad del instrumental difiere entre fabricantes. Modelo Tipo III o Mixto: Se obtiene cuando en el experimento hay factores con niveles fijos y factores con niveles aleatorios. 1. Para el modelo Tipo I, una repetición del experimento se realiza sobre el mismo conjunto de tratamientos; en tanto que para el modelo aleatorio una repetición producirá un nuevo conjunto de tratamientos.


2. Otra diferencia es la forma como se hace la inferencia acerca de los tratamientos; en el modelo Tipo I se hace estrictamente sobre los parámetros asociados con los tratamientos considerados y en el modelo Tipo II la inferencia es respecto a la población de tratamientos. 3. En el modelo I los parámetros son generalmente las medias de los tratamientos y el objetivo es la comparación y estimación de éstos parámetros; en cambio en el modelo II los parámetros de interés son las varianzas y el objetivo primordial es estimar sus magnitudes absolutas y relativas. 4. Las hipótesis del ANOVA para el Tipo II son de la forma:

5. Un Ejemplo de Investigación Experimental Se seleccionaron 4 toros de una misma raza aleatoriamente, luego se escogieron terneros hijos de éstos, los cuales fueron alimentados similarmente y durante el mismo período de tiempo. Se desea saber si la variabilidad de la ganancia en peso es atribuíble a la diferencia entre los padres o si es propia de los termeros como U.E. En esta situación los tratamientos corresponden a los 4 toros y las unidades experimentales son los hijos de los toros. Aquí los tratamientos (toros) son una muestra aleatoria de la población de toros de dicha raza y el interes estadístico no sería hacer inferencia sobre el aumento promedio de los pesos, sino sobre las varianzas del aumento de peso de peso en cada uno de los toros. Las hipótesis estadísticas serían:

En el caso anterior el factor del estudio es la influencia hereditaria de la paternidad.


EJEMPLOS INVESTIGACION