★☆サイフォンの原理☆★

Question

サイフォンの原理について教えてください！！
まず、サイフォンの原理がなんなのかもわからないんで・・・
細かい事から教えてください☆
自由研究の参考にしたいんで、仮説(あなたの)とか、実験の結果とかも教えてくれると、メチャメチャ嬉しいんですけど・・・ずうずうしいですね・・・

housyasei-usagi · Accepted Answer

お騒がせしましたが，本題に戻らせて頂きます。
No.5で示したサイフォンという現象がなぜ起きるかという，「私なりの」解釈（No.11で宣言した）を説明したいと思います。（当たらずと言えど遠からずかな？？）

さて，No.5で示した手順で，

＞４．風呂からホースの一端を出し，ホース端が風呂の水面以下の高さになるようにする。

　ここでホースの一端を水面以下にするのがミソ。位置エネルギーが加わるようにするのです。
　ここで，脱線している様に感じるかもしれませんが，公園などにあるシーソーに乗ったときどちらに傾くか考えてください。この場合，シーソーは対称形である事（モーメントまで考えない）とします。答えは重いほうに傾くことになります。しかし，当たり前の事ですが，シーソーの両端に十分に強度のある支えがあっては，シーソーは傾きません。これは当たり前ですよね。
（補足：シーソーより定滑車の方が良かった気もするけど，敢えてシーソーにしました。）

　さて，そこで
＞５．塞いでいた指を両方離す。 
　とした時が，このシーソーの差さえを外した事と同じ事となります。ホース内の水はシーソーの如く重いほうに流れようとします。この場合，重いか軽いかは，
　１．サイフォンの頂上と，風呂の水面の差
　２．サイフォンの頂上と，外に出したホースの先端の高さの差
　のうち，高さの差が大きいほうが重い方となり，風呂から出した方のホースの先から水が出ます。

　ここから，
＞２．ホースの中に空気が残らないように，ホースに水を満たす。
　が重要になります。

　ここで，注射器を思い出して下さい。注射器のピストン（でいいのかな？）を一杯に押しこんだ状態で，先端に栓をします。ここから注射器を引くと，かなりの力が必要である事がわかります。また，ピストンから手を離すと，元の場所に戻ってしまいます。これは，ピストンを引くことにより,密閉された注射器内部の圧力が大気圧より低くなるからです。

　水は液体なのに，固体に置き換えてばらばらに考えるのも感覚的に難しいかもしれませんが，始めに重力で落ちた水が，この注射器のピストンに相当します。一旦ホースから落ちた水は，もう風呂の床に落ちるしかないので，気圧が下がった部分には風呂の水面からかかる大気圧によって押されて，圧力を戻そうと水が補給される訳です。これが連続的に起こって，風呂の水が外に流れる訳です。

　ここでは模式的な説明をしています。決してホースの先端を見ても，重力によって落ちる水と，大気圧によって押される水の間に注射器を引いた時の様な空間が見えるわけではありませんので念のため。

　舌足らずかもしれませんが，私なりの解説をさせて頂きました。

　ついでに補足しておきますが，水の場合はサイフォン効果で押し上げられる高さは大気圧だけを考慮すれば，地上では約１０ｍが限界です。
　実際には水の温度などの諸条件が加わり，１０ｍを下回ってしまいますけど。（詳しい理論計算までは出来ない！）　また，水の替わりに水銀を使った場合，約760mmが限界です。これは「トリチェリの真空」を調べて見て下さい。

housyasei-usagi · Answer

ＹＫＴＨさん，#17さん。すいませんでした。

No.11で約束した回答をまとめる事にします。
ただし，締めきりに間に合えばですけど。

mak0chan · Answer

#16さんへ。
回答者同士で議論し合うのは削除対象になるそうですね。原質問者さんの意図から外れているわけではないので、お許し願うことにしましょうか。

「他動エネルギーを使わず…」は、ストローを口で吸い出すことを指したものです。しかし、浴槽の件でも同じと考えます。
確かに、浴槽の水がホースを伝って、浴槽の縁を乗り越えて下に流れ落ちるのは、大気圧とともに位置(重力)エネルギーが作用しています。この位置エネルギーは「他」から与えられたものでしょうか。洗い場より高い位置にある浴槽の水が、最初から持っていたものです。地球上にあるものすべてに等しくかかっている「重力」は「他動」の範疇には入らないと思います。「他動エネルギー」とは、人力あるいは人工動力のほか、風や波などであると考えます。

繰り返し申し上げておきますが、浴槽の例はサイフォンそのものであり、housyasei-usagiさんを批判したつもりは毛頭ありません。ご理解ください。

housyasei-usagi · Answer

#15さん，私の質問が舌足らずだったかと思います。
ストローの件は除いて頂いて，私が＃５で書いた風呂の水をくみ出す事のみを考えて下さい。

水が風呂桶を登り，外へ流れ出す状態であるときに，確かにポンプなどの「目に見える」エネルギーを与えてくれる物は存在しません。
とはいえ，外部からまったくエネルギーの供給が無いかと言えば，そういう訳ではなく「目に見えない」位置エネルギー（重力）の作用が不可欠です。

そこで，「他動」の示す意味（範囲）を聞いたつもりです。

mak0chan · Answer

＞＞あくまでもポンプなど他動エネルギーを使わずに
＞は，どう捉えれば良いのですか？
 
#14さん、ストローを口にくわえただけでは、ジュースを飲むことができません。「吸う」というエネルギーを与えてはじめて目的を達することができるのです。ストローをU字状に曲げて、コップの水面より下の位置で口を開けていれば、サイフォンになりますが、そのようなことは一般的にしません。ストローはあくまでも、コップの水面より上の方に吸い上げて使うものとして、サイフォンではないと申し上げました。ご理解ください。

No.5の例はまさにサイフォンそのもので、当初より何ら異論はありません。

housyasei-usagi · Answer

すいません。人の質問で質問して。

NO.12について，
＞あくまでもポンプなど他動エネルギーを使わずに
は，どう捉えれば良いのですか？

私がNo.5で記載した例は，しっかり位置エネルギーを必要としていると思いますけど。

yasu31 · Answer

こんばんは

「No.5の方のは「パスカルの定理」の変形です。」と書いたのは　受け側が無いので　流れ出すだけ　と
これを　逆に高い方には揚げられない為　「サイフォン」ではなく「パスカルの原理」の変形（受け側が無い）と言うことです。無ければ当然　全て流れ出ます。（但し水面よりも低い位置に出口がある場）

No.10の方の「水鉄砲を手で押す代わりに、大気が押していると考えればよいのです。」これでは　水鉄砲の中の気圧と外気が違う為起こる現象です。そうなると
「気圧による変化によるもので物」と書いてあるのでは　ないんでしょうか？
答えは　コーヒーメーカーを買ってみて研究してみたらどうでしょう。

mak0chan · Answer

> ストローで水が飲めるのもサイフォンの原理と言える

これはただの大気圧の利用に過ぎません。しかも、人間が吸い込むという、エネルギーを与えています。
サイフォンの定義は、あくまでもポンプなど他動エネルギーを使わずに、
「流体をいったん高いところに上げて、低いところに移す(またはその逆)。」
ことがポイントです。

housyasei-usagi · Answer

「気圧」とか「大気圧」って言葉がでてきましたが「水圧」とか「油圧」って言葉もあります。これらは媒質の差であって，まとめれば「圧力」って言葉で統一されるでしょう。
　
　あらためてサイフォンについてを考えると，結構面白いですね。ストローで水が飲めるのもサイフォンの原理と言えるでしょう（水でなくてジュースでもコーラでも良いけど・・・でも，ビールはストローで飲むとまずいと思います。関係ないか・・・）。
　
　身近で起こっている現象って，ひとつひとつは結構単純な法則が働いているのですが，いろいろな条件が絡み合って難しくなっているような気がします。

　たとえば，

１．物は高いところから低いところに落ちる。
２．水鉄砲から水が出るのは，押しつけられて高い圧力になった水鉄砲内の水が，それより低い圧力（この場合大気圧）に向かって水が流れるから。
３．熱い茶は冷める。熱が高温部から低温部に流れるから冷める。
４．電流は高い電圧（高電位）から低い電圧（低電位）に流れる。（これは解釈的な点もあるでしょうが）

　サイフォンも考えてみると，先に挙げた１と２に従っているだけなんでしょうね。それを私なり解釈して説明したいと思いますが，文章にするのが難しいので，少し時間下さい。（なんて，答えが纏まらなかったりして・・・
）

mak0chan · Answer

いろいろなご意見がでて、YKTHさんもかえって混乱されたのではないでしょうか。整理してみましょう。まず「サイフォン」には二つの意味があります。
(1) 液体をいったん高所へあげて低所へ移す曲管。湾管。
(2) ガラス製のコーヒー沸かしの一種。

#5さんの説明がまさに(1)のサイフォンです。その原理は、浴槽の水面に大気圧が加わって押し出しているということです。水鉄砲を手で押す代わりに、大気が押していると考えればよいのです。#2さんはちょっと誤解しておられます。仮に、浴槽に空気が出入りしないような完全な蓋をし、ホースだけを出したとすると、水は流れ出ません。浴槽に完全な蓋をすることは困難ですから、学校でフラスコと曲管を借り、次のような実験をしてみます。
(ア) フラスコの口は開放し、水を曲管で取り出す。
(イ) 次に、フラスコの口を曲管だけが通るゴム栓で蓋をするとどうなるか。

サイフォンは(1)のようにいったん高所へ上げること、と説明される場合が多いのですが、逆に一度低いところへ下げて、元の高さに近いところまで戻すのもサイフォンです。灌漑用水が河川を横断する場合、河川の下をU字状のトンネルで横断します。江戸時代(あるいはもっと以前から)の農業用水や、明治以降の発電用水路に多くの例を見ることができます。
この場合のサイフォンの原理は、大気圧が押しているのではなく、上流側の水の持つ位置エネルギーによるものです。

#8さんの『パスカルの定理』は、「密閉された静止流体は、その一部に受けた圧力を増減なく、すべての部分に伝達する。」ですから、サイフォンとは全く関係のない、誤った説明です。

(2)のコーヒー沸かしの場合ですが、#3さんがいわれているとおりです。フラスコの水は加熱されて気化し、膨張するので、居場所のなくなった水が上部のロートに移ります。火を止めると、温度は急激に下がり、下部フラスコ内の気圧が低下するので、ロートから水(コーヒー)が下部フラスコに戻ってきます。
この場合のサイフォンは、大気圧によるものではありません。

以上長くなりましたが、サイフォンの原理を整理すると、「大気圧によるもの」、「流体の位置エネルギーによるもの」、「液体の温度による体積の変化によるもの」の三種があるということです。

「サイフォンの原理はあくまでも気圧を利用したやり方」とする、#9さんの説明は的確ではありません。

★☆サイフォンの原理☆★

お騒がせしましたが，本題に戻らせて頂きます。

ＹＫＴＨさん，#17さん。

#16さんへ。

#15さん，私の質問が舌足らずだったかと思います。

＞＞あくまでもポンプなど他動エネルギーを使わずに

すいません。

こんばんは

> ストローで水が飲めるのもサイフォンの原理と言える

「気圧」とか「大気圧」って言葉がでてきましたが「水圧」とか「油圧」って言葉もあります。

いろいろなご意見がでて、YKTHさんもかえって混乱されたのではないでしょうか。

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