Em 1870, Lord Rayleigh estudou o cálculo do tamanho das moléculas usando óleo e água
(atomsonly.news)Estimando o tamanho de uma molécula individual
Como Benjamin Franklin e Lord Rayleigh calcularam o tamanho das moléculas usando apenas óleo e água
- Décadas antes da descoberta dos raios X e da invenção de microscópios poderosos, Lord Rayleigh calculou o tamanho de uma única molécula usando apenas óleo, água e uma caneta
- Sua inspiração veio de Benjamin Franklin
O experimento de Franklin
- Por volta de 1770, durante uma visita a Londres, Franklin observou, em uma travessia transatlântica, que quando óleo era jogado no mar a partir de um navio as ondas ficavam mais calmas
- Ele realizou um experimento no lago de Clapham Common, em Londres, despejando uma pequena quantidade de óleo na água
- Confirmou que o óleo se espalhava rapidamente pela superfície do lago, deixando a água lisa
- Franklin repetiu o experimento várias vezes e o registrou em detalhes, mas não compreendeu seu significado molecular
A reinterpretação de Lord Rayleigh
- Lord Rayleigh, famoso estudioso de Cambridge e físico, reinterpretou o experimento de Franklin sob uma nova perspectiva
- Em 1890, Lord Rayleigh pingou na água uma pequena quantidade de azeite de oliva medida com precisão e mediu a área sobre a qual o óleo se espalhou
- Dividiu o volume do óleo pela área para estimar a espessura da película de óleo
- Assumindo que a película de óleo formava uma monocamada molecular, calculou a espessura da película como o comprimento de uma molécula
Os resultados de Lord Rayleigh
- O resultado do cálculo de Lord Rayleigh foi de aproximadamente 1,63 nanômetro
- O comprimento real da molécula de triacilglicerol, principal componente do azeite de oliva, é de cerca de 1,67 nanômetro, de modo que a estimativa de Lord Rayleigh teve um erro de apenas cerca de 2%
- Seu experimento mostrou que é possível obter percepções científicas profundas mesmo com ferramentas simples
Material adicional
- O livro de Charles Tanford, "Ben Franklin Stilled the Waves", explora em profundidade a história desse experimento da gota de óleo
Resumo do GN⁺
- Este artigo mostra que descobertas científicas importantes podem ser feitas mesmo com ferramentas experimentais simples
- Os experimentos de Benjamin Franklin e Lord Rayleigh destacam a importância da curiosidade científica e da criatividade
- Este artigo será útil para quem tem interesse pela história da ciência e pela metodologia experimental
- Outros projetos com proposta semelhante incluem "Science Experiments You Can Do At Home"
1 comentários
Comentários do Hacker News
Em 1676, Rømer estimou a velocidade da luz medindo o horário orbital de Io, lua de Júpiter
Quando a Terra se aproximava de Júpiter, Io aparecia por trás do planeta um pouco mais cedo a cada vez; quando se afastava, aparecia um pouco mais tarde, e ao longo de um ano a diferença acumulada chegou a 22 minutos
Como ele conhecia a diferença entre as duas distâncias, calculou que a luz percorria esse trajeto em 22 minutos, chegando ao resultado de 227 mil km/s. Considerando que o valor real é de cerca de 300 mil km/s, é um resultado impressionante
Gosto sempre dessas histórias em que uma observação muito específica, daquelas que a maioria deixaria passar, revela propriedades muito mais profundas do universo
Outro exemplo famoso é Eratóstenes ter descoberto o tamanho da Terra pela sombra com erro de apenas alguns por cento
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Outro aspecto interessante de usar os horários dos eclipses dos satélites é que Galileo propôs usar o sistema de luas de Júpiter como um relógio cósmico para determinar a hora e, por consequência, a longitude
Ao calcular com antecedência e precisão os horários dos eclipses das luas de Júpiter e compará-los com observações feitas em terra ou em navios, era possível obter a hora local e a longitude
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
É impressionante que, só com um telescópio e medições cuidadosas do tempo, eles tenham chegado tão perto da velocidade da luz real
A velocidade da luz é tão alta que tem um dos valores mais precisamente conhecidos entre as constantes físicas: 299 792 458 m/s
A diferença para 300.000.000 m/s é menor que 7/1000, então não é algo com que valha a pena se preocupar
A luz percorre apenas 0,3 m em 1 nanossegundo, ou 11,802 polegadas
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Isso me lembrou do experimento da gota de óleo de Millikan e Fletcher. Esse experimento mediu a carga do elétron
Em resumo, eles mediram o tempo que minúsculas gotas de óleo, pulverizadas no ar, levavam para cair e assim obtiveram seu volume, depois aplicaram um campo elétrico conhecido para mantê-las suspensas no ar
A carga calculada por molécula se agrupava em torno de múltiplos de um valor menor, e esse valor menor era a carga de um único elétron
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Antes disso, também tentaram um experimento com gota d’água de forma parecida. A intenção era a mesma, só mudava o uso de água em vez de óleo
O motivo do fracasso foi que a lâmpada forte usada para enxergar as gotas fazia a água evaporar rápido demais. É um tipo de fracasso bem compreensível
Essa história sempre tem mais contexto
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Como podemos ter certeza de que o resultado não dava 2e ou outro múltiplo?
Gosto desse tipo de texto. No ensino de ciências, leis e teorias muitas vezes eram apresentadas como coisas para simplesmente decorar, mas acho muito mais interessante e inspirador entender como elas foram descobertas e resolvidas pela primeira vez
Lembro de ter precisado aprender um monte de vias bioquímicas, mas saí da escola quase sem saber como essas vias tinham sido desvendadas originalmente
Aceito recomendações de outros textos ou livros sobre como teorias científicas foram descobertas pela primeira vez
Fico curioso se o ensino de física foi no ensino médio ou na universidade. Na universidade, nos EUA, por causa da minha graduação, fiz só uma disciplina de física, que era eletrodinâmica quântica para engenharia elétrica, e o professor tinha escrito o próprio livro-texto
Ainda lembro de ele cobrir, desde a base experimental, os fundamentos da compreensão do átomo, o entendimento da luz na época de Newton, o experimento da dupla fenda, as equações de Maxwell, o experimento do éter de Michelson-Morley, a derivação e a verificação experimental da relatividade geral, e até o caminho de decompor a relatividade geral em mecânica newtoniana e leis do eletromagnetismo
Ainda hoje me impressiona que as pessoas tenham descoberto tudo isso a partir de princípios primeiros
Ainda não li, mas tenho um livro reservado na biblioteca que alguém recomendou no Reddit
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
A história da descoberta da quantização da carga do elétron também parece combinar com seu interesse: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Na universidade, fiz isso diretamente com várias centenas de volts em corrente contínua; deu medo, mas foi bem divertido coletar os dados e analisá-los no Excel para ver os números baterem certinho
Li recentemente Chasing the Molecule, de John Buckingham, e gostei muito
Ele faz um panorama da história da química moderna de um jeito acessível, mas com profundidade suficiente
Também conta muito bem sobre figuras menos conhecidas que fizeram a química avançar bastante, e sobre outras mais famosas que, por se apegarem a teorias erradas, acabaram mais atrapalhando do que ajudando
O livro é bem curto, então é uma leitura leve
Muitas vezes, o que se ensina parece ter sido dado como uma revelação, algo certo e definitivo, com origens transmitidas de forma misteriosa. Não é bom tratar a ciência com essa sensação
Dá até para dizer que a própria possibilidade da ciência se apoia em certos artigos de fé, mas as descobertas individuais da ciência são uma questão de evidência empírica, da interpretação dessa evidência e de argumentos baseados nessa evidência interpretada
Além disso, há hipóteses de trabalho que exercem um grande papel de forma silenciosa, e acho que isso não recebe atenção suficiente
Isso também reforça a ideia de que boa parte da atividade científica é movida por motivações e hábitos práticos, e não por motivações teóricas
Exatamente. Grandes professores de ciências entendem o poder da história das descobertas científicas
Cosmos, de Carl Sagan, e algumas das excelentes aulas de Richard Feynman são os exemplos mais marcantes que me vêm à menteTenho convicção de que bons professores misturam os aspectos históricos e humanos para criar, mesmo em temas áridos, perspectivas essenciais e conexões de memória naturais
“Rayleigh estimou a espessura da película de óleo dividindo o volume do óleo pela área que ele cobria. Se assumirmos que o óleo formou uma camada de uma única molécula, ou seja, uma monocamada, então a espessura da película é igual ao comprimento de uma molécula de óleo.
Dessa forma, Lord Rayleigh se tornou a primeira pessoa a descobrir o tamanho de uma única molécula, muito antes de qualquer um conseguir vê-la.”
Interessante, mas assumir que o óleo se espalha até uma espessura mínima de uma molécula ainda não seria algo bem especulativo?
Não teria havido alguma suspeita de que, por causa da tensão superficial, ele poderia permanecer mais espesso? Ou havia outros indícios de que era de fato uma monocamada?
Todas tenderiam a ir para regiões mais baixas, e a resistência ao espalhamento do óleo talvez fosse relativamente muito menor do que a gravidade puxando o óleo para achatá-lo
Esse efeito mudaria quando a camada, em média, passasse de mais de uma molécula de espessura para menos de uma
Identificando experimentalmente esse ponto de transição, provavelmente seria possível obter a espessura da camada molecular a partir do volume do óleo
Não há motivo para que o volume de cada molécula de óleo, quando cercada por outras moléculas de óleo por todos os lados, seja igual ao volume dela quando há ar em cima e água embaixo
Alguém consegue explicar por que isso deveria valer?
Por exemplo, uma colher de chá de óleo pode se espalhar sobre 1㎡, 2㎡ ou n㎡, e em algum ponto a espessura da película passará de m para 1 e depois para menos de 1
“Se assumirmos que o óleo formou uma camada de uma única molécula, ou seja, uma monocamada, então a espessura da película é igual ao comprimento de uma molécula de óleo.”
Como eles sabiam que essa película tinha a espessura de uma molécula?
Parece uma suposição enorme, mas talvez este post do blog tenha omitido alguma coisa
O post do blog parece mesmo pular esse ponto, mas o artigo original linkado é bem curto: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
O experimento de Rayleigh, na verdade, buscava determinar a espessura mínima de óleo necessária para fazer parar o movimento de pedaços de cânfora sobre a água
Ele não diz isso explicitamente, mas parece assumir que a espessura mínima que interrompe o movimento dos pedaços corresponde ao volume de óleo “mal” cobrindo a superfície, isto é, com espessura de uma molécula em toda parte, de modo que os pedaços não encostem mais na água
Parece haver também um ponto um pouco mais sofisticado sobre tensão superficial, mas isso já vai um pouco além do que eu entendo
Se você repetir o experimento várias vezes com gotas de tamanhos diferentes, verá que a camada de óleo sempre tem aproximadamente a mesma espessura
Essa é uma observação interessante que pede explicação, e a hipótese de que a espessura da camada de óleo corresponde ao comprimento de uma molécula provavelmente é a explicação mais natural e plausível
Claro, depois é preciso buscar uma verificação. Historicamente, o que veio em seguida para confirmar isso?
Existe uma intuição de que um fluido fino sobre uma superfície de baixo atrito, como a água, com tempo suficiente vai se espalhar “o máximo possível”
Pode haver fatores de perturbação, mas parece razoável tomá-la como uma suposição dentro da hipótese
Não era algo que precisasse necessariamente ser “sabido”; a suposição é aceitável, e não me parece tão enorme assim
Sim. Na prática, esse experimento está mais próximo de fornecer um limite superior para o tamanho molecular em uma direção específica
Ainda assim, é um resultado muito útil
Cientistas frequentemente precisam fazer suposições para seguir em frente
Um exemplo famoso é Darwin, que descobriu que características são herdadas por seleção natural e que isso impulsiona a evolução, mesmo sem ter qualquer noção da natureza física do DNA nem de como genes mudam para, por exemplo, mutações no DNA produzirem adaptação e tornarem organismos mais aptos
Queria que existisse na escola uma disciplina como projeto de experimentos científicos
Seria uma aula explicando os processos por trás de experimentos históricos clássicos desde a Antiguidade e perguntando repetidamente aos alunos coisas como: “Com essas restrições, como você projetaria e realizaria um experimento para estimar o tamanho da Terra? Como refutaria o flogisto e o éter luminífero? Como mediria a velocidade da luz?”
Foi um trabalho verdadeiramente heroico, e Michelson era um gênio
Fiz esse experimento de óleo/água no laboratório de física ou química do primeiro ano, mas foi tudo corrido, todo mundo fez só o mínimo, e os professores quase não explicaram nada antes de passar para o próximo assunto
Para fazer um experimento de física funcionar de verdade, é preciso ser obsessivo ao registrar detalhes e também ter uma intuição forte
Como você não sabe qual é a resposta correta, precisa projetar o experimento de modo a distinguir entre “a hipótese está errada” e “o equipamento não está funcionando”
Por exemplo, quando ligaram o LIGO pela primeira vez, ele captou quase imediatamente um evento excelente, mas não saíram abrindo champanhe
No começo, ignoraram porque acharam que havia algo errado com a máquina, e só depois de bastante análise posterior e verificação de correlação concluíram que era um evento real
O título desta thread parece estar errado. No texto original está escrito: “O pequeno experimento que Rayleigh realizou em 1890, diretamente inspirado pelas observações de Franklin, é bem menos conhecido”
Portanto, Rayleigh calculou o tamanho das moléculas em 1890, não em 1870. Em 1870, Rayleigh ainda era jovem e não era conhecido por pesquisas originais
É verdade que Rayleigh concebeu um novo método para determinar o tamanho das moléculas, mas também é importante lembrar que a primeira pessoa a determinar com sucesso o tamanho e o peso das moléculas foi Johann Josef Loschmidt, em 1865
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
A publicação de Loschmidt sobre o peso e o tamanho das moléculas de ar foi um dos marcos mais importantes da história da física
Antes de 1865, a teoria atômica retomada por Dalton ainda podia ser vista como um modelo hipotético que explicava reações químicas e algumas características da termodinâmica, mas que poderia estar errado ou ser substituído por um modelo melhor
A partir daquele momento, átomos e moléculas passaram a poder ser pesados e contados, e sua realidade deixou de ser posta em dúvida
Só pelo fato de Loschmidt ter determinado o tamanho e o peso das moléculas de ar, já era possível usar os pesos atômicos relativos, obtidos em reações químicas e já conhecidos, para determinar o tamanho e o peso de outros átomos e moléculas conhecidos
Além disso, alguns anos depois, em 1874, George Johnstone Stoney usou os resultados de Loschmidt junto com a teoria da existência da carga elementar, publicada por Maxwell em 1873, para calcular o valor da carga elementar
Mais tarde, Stoney deu a essa carga elementar o nome de “electron”, que acabou se tornando a origem de inúmeras palavras da ciência e da tecnologia modernas, de electronics a hadron
Reproduzi esse experimento em uma das disciplinas de física da faculdade
Deu bastante trabalho, e o resultado não foi tão bom quanto o do experimento original, mas foi muito interessante e rendeu bastante aprendizado
As exigências de equipamento eram perfeitamente razoáveis para um laboratório de física de graduação, então, se puder, recomendo fortemente fazer você mesmo
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Motivo da suspensão deste domínio: desde janeiro de 2014, todos os registradores credenciados pela ICANN, como a Namecheap, passaram a ser obrigados a verificar as informações de contato dos clientes que registram domínios, ou seja, o Registrant Whois
Isso também inclui alterações nessas informações de contato