Simple Science Experiments

Science doesn't only happen in laboratories full of expensive equipment and people in white coats. Many basic ideas in physics, chemistry and biology can be shown on a kitchen table with things you already have at home: vinegar, salt, milk, a glass bottle or a sewing needle.

لا يقتصر العلم على المختبرات المليئة بالأجهزة الباهظة والأشخاص الذين يرتدون المعاطف البيضاء. فكثير من الأفكار الأساسية في الفيزياء والكيمياء والأحياء يمكن عرضها على طاولة المطبخ بأشياء موجودة أصلًا في البيت: الخل والملح والحليب وقارورة زجاجية أو إبرة خياطة.

Experiments like these are fun, but they also teach something useful: the world follows rules that we can discover and understand. When a child watches baking soda fizz in vinegar and asks why, they are doing what scientists do: watching carefully and looking for an explanation. Here are some of the best experiments to try at home, with a short explanation of what is really going on in each one.

هذه التجارب ممتعة، لكنها تعلّمنا أيضًا شيئًا مفيدًا: العالم يسير وفق قواعد يمكننا اكتشافها وفهمها. فعندما يرى طفل صودا الخبز تفور في الخل ويسأل عن السبب، فهو يفعل ما يفعله العلماء تمامًا: يراقب بانتباه ويبحث عن تفسير. وإليك بعضًا من أفضل التجارب التي يمكن إجراؤها في البيت، مع شرح قصير لما يحدث فعلًا في كل منها.

Baking soda and vinegar is the classic piece of kitchen chemistry. Baking soda is sodium bicarbonate, a base, and vinegar contains acetic acid. When the two meet, they react and produce carbon dioxide gas, water and a salt called sodium acetate. The carbon dioxide is what makes the mixture fizz and bubble.

صودا الخبز والخل هما المثال الكلاسيكي على كيمياء المطبخ. صودا الخبز هي بيكربونات الصوديوم، وهي قاعدة، أما الخل فيحتوي على حمض الأسيتيك. وعندما يلتقيان يتفاعلان وينتج عنهما غاز ثاني أكسيد الكربون والماء وملح يسمى أسيتات الصوديوم. وثاني أكسيد الكربون هو ما يجعل الخليط يفور ويُصدر فقاعات.

For a better show, put a pile of baking soda in a small cup or bottle, then add a few drops of food coloring and a squirt of dish soap to the vinegar before you pour it in. The soap traps the gas in bubbles, so you get a thick, colorful foam that pours over the sides like lava. The idea behind it, that acids and bases react with each other, is one of the basics of chemistry. Acids and bases are all around us: in lemon juice and soap, in cleaning products and in our own stomachs, where hydrochloric acid helps break down food.

لعرض أجمل، ضع كومة صغيرة من صودا الخبز في كوب صغير أو زجاجة، ثم أضف إلى الخل بضع قطرات من ملوّن الطعام وقليلًا من سائل الجلي قبل أن تسكبه. يحبس الصابون الغاز داخل الفقاعات، فتتكوّن رغوة كثيفة ملوّنة تفيض من الحواف كالحمم. والفكرة التي تقوم عليها التجربة، وهي أن الأحماض والقواعد تتفاعل معًا، من أساسيات الكيمياء. فالأحماض والقواعد موجودة حولنا في كل مكان: في عصير الليمون والصابون، وفي منتجات التنظيف، وفي معدتنا نفسها حيث يساعد حمض الهيدروكلوريك على تفكيك الطعام.

Drop a few raisins into a glass of sparkling water or clear soda. At first they sink to the bottom. Then, one by one, they slowly rise to the top, sink again and keep going up and down for a long time. The raisins are showing you how density and buoyancy work.

ضع بضع حبات من الزبيب في كوب من الماء الفوّار أو من مشروب غازي شفاف. في البداية تغوص إلى القاع. ثم تصعد واحدة تلو الأخرى ببطء إلى السطح، وتعود فتغوص، وتظل تصعد وتهبط مدة طويلة. الزبيب هنا يُريك كيف تعمل الكثافة وقوة الطفو.

A raisin sinks because it is denser than the liquid. On the bottom, though, bubbles of carbon dioxide stick to its wrinkled skin. Each bubble works like a tiny life jacket: the raisin and its bubbles take up more space without getting much heavier, so together they become less dense than the water and float up. At the surface many of the bubbles burst, the raisin is denser than the water again, and down it goes. This goes on until the drink goes flat. Many fish use a similar trick: they control their depth by adding gas to an organ called the swim bladder or letting gas out of it.

تغوص حبة الزبيب لأنها أكثف من السائل. لكن فقاعات ثاني أكسيد الكربون تلتصق بقشرتها المجعّدة وهي في القاع. وكل فقاعة تعمل كسترة نجاة صغيرة: فالحبة وفقاعاتها تشغل حيزًا أكبر من غير أن يزيد وزنها كثيرًا، فتصبح معًا أقل كثافة من الماء وتطفو إلى الأعلى. وعند السطح تنفجر فقاعات كثيرة، فتعود الحبة أكثف من الماء وتهبط. ويستمر ذلك حتى يفقد المشروب غازه. وكثير من الأسماك تستخدم حيلة مشابهة: فهي تتحكم في العمق الذي تسبح فيه بملء عضو يسمى المثانة الهوائية بالغاز أو بإخراج الغاز منه.

Growing crystals is one of the most rewarding experiments you can do at home, and all you need is salt or sugar, hot water and patience. The process is called crystallization, and it shows how neatly matter is organized at the smallest scale.

زراعة البلورات من أكثر التجارب المنزلية إمتاعًا، ولا تحتاج إلا إلى الملح أو السكر والماء الساخن والصبر. وتسمى هذه العملية التبلور، وهي تُظهر مدى انتظام المادة في أصغر مستوياتها.

Stir salt into hot water until no more will dissolve. This is called a saturated solution. Pour it into a glass and hang a rough piece of string into it from a pencil laid across the top. Over the next few days the water slowly evaporates, and the liquid that is left can't hold all the salt. The extra salt comes out of the solution and settles on the string. Little by little, small crystals with flat faces and straight edges appear. Salt crystals are often shaped like tiny cubes, because inside them sodium and chloride ions are arranged in a cubic pattern that repeats millions of times. Nobody designs this shape; it comes from the chemistry itself.

حرّك الملح في ماء ساخن حتى لا يعود يذوب. هذا ما يسمى المحلول المشبع. اسكبه في كوب وعلّق فيه قطعة من خيط خشن مربوطة بقلم رصاص موضوع بالعرض فوق الكوب. وفي الأيام التالية يتبخر الماء ببطء، فلا يعود السائل المتبقي قادرًا على حمل كل الملح. فيخرج الملح الزائد من المحلول ويترسب على الخيط. وشيئًا فشيئًا تظهر بلورات صغيرة ذات أوجه مستوية وحواف مستقيمة. وكثيرًا ما تكون بلورات الملح على شكل مكعبات دقيقة، لأن أيونات الصوديوم والكلوريد في داخلها مرتبة في نمط مكعّب يتكرر ملايين المرات. لا أحد يصمم هذا الشكل، بل هو نابع من الكيمياء نفسها.

This classic experiment shows the force of the air around us. You need a glass bottle whose neck is a little narrower than a peeled hard-boiled egg, and a few thin strips of paper. With an adult's help, light the paper, drop it into the bottle and quickly set the egg on the opening. Soon after the flame goes out, the egg is squeezed through the neck and drops into the bottle, sometimes with a loud pop.

تُظهر هذه التجربة الكلاسيكية قوة الهواء من حولنا. ستحتاج إلى زجاجة عنقها أضيق قليلًا من بيضة مسلوقة مقشّرة، وبضع شرائط رفيعة من الورق. بمساعدة شخص بالغ، أشعل الورق وأسقطه في الزجاجة، ثم ضع البيضة بسرعة على فتحتها. وبعد انطفاء اللهب بقليل، تنضغط البيضة عبر العنق وتسقط داخل الزجاجة، وأحيانًا بصوت فرقعة عالٍ.

Here is what happens. The fire heats the air in the bottle, the air expands, and some of it escapes past the egg. When the flame goes out, the air that is left cools and its pressure drops. Now the air outside pushes harder than the air inside, and it forces the egg into the bottle. People often say that the fire uses up the oxygen, but that has only a small effect; the cooling of the air does most of the work. The same difference in pressure makes suction cups stick to tiles and lets you drink through a straw. We rarely notice air pressure, but at sea level it presses on every square centimeter of your body with the weight of about one kilogram.

إليك ما يحدث. تسخّن النار الهواء داخل الزجاجة، فيتمدد ويخرج بعضه من حول البيضة. وعندما ينطفئ اللهب يبرد الهواء المتبقي وينخفض ضغطه. عندئذٍ يضغط الهواء في الخارج بقوة أكبر من الهواء في الداخل، فيدفع البيضة إلى داخل الزجاجة. ويقال كثيرًا إن النار تستهلك الأكسجين، لكن أثر ذلك صغير؛ فمعظم العمل يقوم به تبرد الهواء. والفرق نفسه في الضغط هو ما يجعل الكؤوس الماصّة تلتصق بالبلاط ويتيح لنا الشرب بالمصّاصة. ونادرًا ما نلاحظ ضغط الهواء، لكنه عند مستوى سطح البحر يضغط على كل سنتيمتر مربع من أجسامنا بوزن يقارب كيلوغرامًا واحدًا.

You can make a working compass with a steel sewing needle, a small magnet, a bowl of water and a leaf or a thin slice of cork. Stroke the needle with one end of the magnet about 30 times, always in the same direction. This lines up tiny magnetic regions inside the steel and turns the needle into a weak magnet for a while. Lay the needle on the leaf and float it on still water. It will slowly turn until it points north and south, in line with Earth's magnetic field.

يمكنك صنع بوصلة تعمل بإبرة خياطة من الفولاذ ومغناطيس صغير ووعاء ماء وورقة شجر أو شريحة رقيقة من الفلّين. امسح الإبرة بأحد طرفي المغناطيس نحو 30 مرة، دائمًا في الاتجاه نفسه. فتصطف بذلك مناطق مغناطيسية دقيقة داخل الفولاذ، وتتحول الإبرة لبعض الوقت إلى مغناطيس ضعيف. ضع الإبرة على الورقة واتركها تطفو على ماء ساكن. ستدور الإبرة ببطء حتى تشير إلى الشمال والجنوب، متوافقة مع المجال المغناطيسي للأرض.

The compass is one of the great inventions in the history of navigation. In 1088 the Chinese scholar Shen Kuo described a magnetized needle that pointed north and south, and a few decades later Chinese sailors were using compasses at sea. By the end of the 12th century they had reached Europe too. For centuries nobody knew why they worked. Only in 1600 did the English scientist William Gilbert suggest that Earth itself behaves like a giant magnet. Earth's magnetic field does more than guide compass needles: it also turns aside most of the solar wind, a stream of charged particles from the Sun, and so helps protect our atmosphere.

البوصلة من أعظم الاختراعات في تاريخ الملاحة. ففي عام 1088 وصف العالم الصيني شين كوو إبرة ممغنطة تشير إلى الشمال والجنوب، وبعد بضعة عقود كان البحارة الصينيون يستخدمون البوصلة في البحر. وبحلول نهاية القرن الثاني عشر كانت قد وصلت إلى أوروبا أيضًا. وظل الناس قرونًا لا يعرفون لماذا تعمل. ولم يقترح العالم الإنجليزي ويليام جيلبرت إلا في عام 1600 أن الأرض نفسها تتصرف كمغناطيس عملاق. ولا يقتصر دور المجال المغناطيسي للأرض على توجيه إبر البوصلات، فهو أيضًا يحرف معظم الرياح الشمسية، وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس، ويساعد بذلك على حماية غلافنا الجوي.

Pour some whole milk into a shallow plate and add drops of different food coloring near the middle. Now dip a cotton swab in dish soap and touch it to the center of the milk. The colors suddenly rush outward and swirl around the plate in bright, changing patterns. Few experiments you can do at home look this impressive.

اسكب قليلًا من الحليب كامل الدسم في صحن مسطح، وأضف قطرات من ملوّنات طعام مختلفة قرب الوسط. ثم اغمس عود قطن في سائل الجلي والمس به وسط الحليب. فجأة تندفع الألوان نحو الخارج وتدور في الصحن في أنماط زاهية تتغير باستمرار. وقليلة هي التجارب المنزلية التي تبدو بهذا القدر من الروعة.

The explanation has to do with surface tension and fat. Water molecules at the surface of the milk pull on each other, so the surface acts a bit like a thin, stretched skin. Soap weakens this pull where it touches the milk. The rest of the surface, which still pulls strongly, drags the liquid away toward the edges and carries the colors with it. At the same time, soap molecules attach to tiny drops of fat and protein in the milk and keep the liquid moving for a while. The food coloring simply makes this movement visible. Soap cleans greasy plates in a similar way: one end of a soap molecule is attracted to water and the other end to fat, so soap surrounds bits of grease and lets the water wash them away.

يرتبط التفسير بالتوتر السطحي وبالدهون. فجزيئات الماء على سطح الحليب يجذب بعضها بعضًا، لذلك يتصرف السطح كأنه جلد رقيق مشدود. ويُضعف الصابون هذا التجاذب في الموضع الذي يلمس فيه الحليب. أما بقية السطح، التي ما زالت تشد بقوة، فتجرّ السائل نحو الحواف وتحمل معها الألوان. وفي الوقت نفسه تلتصق جزيئات الصابون بقطرات دقيقة من الدهون والبروتين في الحليب، فتُبقي السائل متحركًا لبعض الوقت. وما ملوّن الطعام إلا وسيلة تجعل هذه الحركة مرئية. وبطريقة مشابهة ينظف الصابون الأطباق الدهنية: فأحد طرفي جزيء الصابون ينجذب إلى الماء والطرف الآخر إلى الدهون، فيحيط الصابون بجزيئات الدهن ويسمح للماء بأن يجرفها.

Invisible ink isn't only a children's game. Spies used it for centuries, including during the American Revolution and both World Wars. The simplest version uses lemon juice. Dip a cotton swab in lemon juice and write a message on white paper. Let it dry completely, and the writing disappears. To read it, ask an adult to run a hot iron over the paper, and the letters slowly appear in brown.

ليس الحبر السري مجرد لعبة أطفال. فقد استخدمه الجواسيس قرونًا، ومن ذلك خلال حرب الاستقلال الأمريكية والحربين العالميتين. وأبسط أنواعه يُصنع من عصير الليمون. اغمس عود قطن في عصير الليمون واكتب رسالة على ورقة بيضاء. اتركها حتى تجف تمامًا، فتختفي الكتابة. ولقراءتها، اطلب من شخص بالغ أن يمرّر مكواة ساخنة على الورقة، فتظهر الحروف ببطء بلون بني.

The chemistry is simple. Lemon juice contains sugars, citric acid and other substances. When they are heated, they break down and start to burn at a lower temperature than paper does, so the writing turns brown while the paper around it stays white. Part of this change is oxidation, a reaction with the oxygen in the air. Oxidation is one of the most common chemical reactions around us: it helps turn a cut apple brown and old paper yellow, and it is also what makes iron rust.

الكيمياء هنا بسيطة. يحتوي عصير الليمون على سكريات وحمض الستريك ومواد أخرى. وعند تسخينها تتحلل وتبدأ بالاحتراق عند درجة حرارة أقل من درجة احتراق الورق، لذلك تصبح الكتابة بنية بينما يبقى الورق من حولها أبيض. وجزء من هذا التغير هو الأكسدة، أي التفاعل مع أكسجين الهواء. والأكسدة من أكثر التفاعلات الكيميائية شيوعًا من حولنا: فهي تسهم في اسمرار التفاحة المقطوعة واصفرار الورق القديم، وهي أيضًا ما يجعل الحديد يصدأ.

Many famous scientists started out with very simple equipment. Michael Faraday grew up poor in London and had little schooling. At 14 he became an apprentice to a bookbinder, read the science books that passed through the shop and tried out their experiments with homemade equipment. Later, working at the Royal Institution, he discovered electromagnetic induction in 1831. This is the principle behind the generators that produce most of our electricity today.

بدأ كثير من العلماء المشهورين بأدوات بسيطة جدًا. فقد نشأ مايكل فاراداي فقيرًا في لندن ولم ينل إلا قليلًا من التعليم المدرسي. وفي الرابعة عشرة أصبح متدربًا عند مجلّد كتب، فكان يقرأ الكتب العلمية التي تمر بالورشة ويجرّب ما فيها من تجارب بأدوات صنعها بنفسه. وفي وقت لاحق، حين كان يعمل في المعهد الملكي، اكتشف الحث الكهرومغناطيسي عام 1831. وعلى هذا المبدأ تقوم المولّدات التي تنتج اليوم معظم الكهرباء التي نستخدمها.

Doing science is less about equipment than about a way of thinking: asking questions, planning tests, predicting what will happen and changing your ideas when the evidence says so. These skills can be learned at any age and on any budget. An experiment that doesn't go as expected isn't a failure if it leads to a new question. Some important discoveries began as surprises: Alexander Fleming found penicillin in 1928 when mold grew on one of his dishes of bacteria, Wilhelm Röntgen discovered X-rays in 1895, and Percy Spencer came up with the microwave oven after a chocolate bar melted in his pocket while he stood next to radar equipment.

العلم يتعلق بطريقة في التفكير أكثر مما يتعلق بالأدوات: طرح الأسئلة، وتخطيط الاختبارات، وتوقّع ما سيحدث، وتغيير الأفكار حين تقتضي الأدلة ذلك. ويمكن تعلم هذه المهارات في أي عمر وبأي ميزانية. والتجربة التي لا تسير كما هو متوقع ليست فشلًا إذا قادت إلى سؤال جديد. وقد بدأت بعض الاكتشافات المهمة بمفاجأة: فقد وجد ألكسندر فليمنغ البنسلين عام 1928 حين نما العفن في أحد أطباق البكتيريا لديه، واكتشف فيلهلم رونتغن الأشعة السينية عام 1895، وخطرت لبيرسي سبنسر فكرة فرن الميكروويف بعد أن ذابت قطعة شوكولاتة في جيبه بينما كان يقف بجوار جهاز رادار.

Science is everywhere at home: in the bubbles in a glass of soda, the frost on a winter window, the colors of a sunset and the way soap removes grease. All of these everyday things can be explained, and many of them can be tested with simple experiments. In some ways a home is a good laboratory, because the questions come from real life.

العلم موجود في كل ركن من البيت: في فقاعات كوب المشروب الغازي، وفي الصقيع على النافذة شتاءً، وفي ألوان الغروب، وفي الطريقة التي يزيل بها الصابون الدهون. ويمكن تفسير كل هذه الأشياء اليومية، ويمكن اختبار كثير منها بتجارب بسيطة. والبيت من بعض النواحي مختبر جيد، لأن الأسئلة فيه تنبع من الحياة الحقيقية.

So when something in the kitchen, garden or bathroom surprises you, don't simply move on. Stop, look closely and try to work out what is behind it: a force, a chemical reaction or something alive. Noticing something odd and asking why is exactly how scientists begin.

لذلك، حين يفاجئك شيء في المطبخ أو الحديقة أو الحمّام، لا تتجاوزه ببساطة. توقّف وانظر عن قرب وحاول أن تفهم ما وراءه: قوة ما، أو تفاعل كيميائي، أو شيء حي. فملاحظة شيء غريب والسؤال عن سببه هو بالضبط ما يبدأ به العلماء.