Jak funguje vodní sifon?

Jednoduché hydraulické zařízení – sifon – je známé již více než dva tisíce let. V nejjednodušším případě jde o trubku ve tvaru U s různě dlouhými koleny. Pokud je sifon naplněný vodou umístěn do nádoby s vodou s krátkým kolenem, začne voda vytékat z otvoru v dlouhém koleni. K jeho proudění dochází vlivem tlakového rozdílu působícího na objem kapaliny v horní části trubice. Tlak z krátkého kolena p 1 = p 0 – r gh 1, z dlouhé strany p 2 = p 0 – r gh 2, kde p 0 je atmosférický tlak, rg je měrná hmotnost kapaliny, h je délka loket. Rozdíl tlaků ∆ p = rg ∆ h je tím větší, čím níže je dlouhé koleno sifonu spuštěno (viz obrázek 1).

Přesto i přes jednoduchost zařízení experimenty se sifonem a jednoduše se zakřivenou trubicí odhalují řadu zajímavých vlastností, které nebyly popsány v literatuře.

Pro experimenty budete potřebovat několik trubek ve tvaru U různých průměrů s koleny stejné délky. Kapilární sifon lze vyrobit z prázdné náplně kuličkového pera, velkodílný sifon lze vyrobit z úseků skleněných nebo průhledných plastových trubek spojených pryžovou hadičkou.

Vezměte dvě sklenice se stejným množstvím vody. Nalijte vodu do sifonové trubice ve tvaru U, otočte ji, prsty ucpejte otvory a spusťte obě kolena do sklenic. Samozřejmě nedojde k žádnému pohybu kapaliny trubicí – není zde žádný tlakový rozdíl. Pokud nahradíte čistou vodu v jedné sklenici roztokem inkoustu nebo inkoustu (obsahují zahušťovadlo – glycerin o hustotě 1,26 g/cm 3 ), pak vlivem difúze začne barvivo pomalu pronikat do tuby a nakonec skončí ve druhé sklenici.

Změníme experimentální podmínky: do sifonové trubice vložíme knot – proužek gázy stočený do lana. Proces difúze bude mnohem rychlejší: po 2-3 hodinách bude barva roztoků v obou sklech stejná. Jde zřejmě o to, že koeficienty povrchového napětí glycerinu a vody jsou různé. Ale pro glycerol je to méně: 59,4 mN/m oproti 79,9 mN/m pro vodu. Proto by se měl méně snadno vtahovat do kapilár knotu. Existuje paradox.

Umístěte sifon ve tvaru U trubicemi nahoru a naplňte jej vodou. V jednom z jeho kolen vmícháme trochu inkoustu nebo inkoustu. Díky přirozenému procesu difúze se voda v druhém lokti rovnoměrně zabarví asi za měsíc. Pokud do něj nasypete nějaký prášek – kuchyňskou sůl, sodu, říční písek, voda v něm se s barvivem téměř okamžitě smísí.

Dalo by se předpokládat, že když částice prášku propadnou vodou, promísí se, čímž se urychlí proces difúze. Ale stejný jev je pozorován, když se do zkumavky zavádějí roztoky soli, cukru nebo sody, takže zde probíhají některé další procesy.

Nalijte vodu do kapiláry ve tvaru U s otvory směřujícími nahoru a vmíchejte několik kapek barviva do jednoho z loktů. Díky vyšší hustotě půjde pouze dolů k ohybu trubky a začne velmi pomalu difundovat do druhé nohy sifonu. Spustíme dva dráty do trubic připojených k elektrické baterii (napětí 1,5-3 V), aby její mínus skončilo v barevné vodě. Po 2-3 hodinách bude voda v druhé zkumavce zcela zabarvená. Provedli jsme elektroforézu – řízený pohyb iontů a koloidních částic pod vlivem vnějšího elektrického pole.

Elektroforéza, nejdůležitější typ elektrokinetických jevů, byla objevena v roce 1807 a dnes je široce používána v průmyslu, medicíně a vědeckém výzkumu.

Při pokusech s trubicemi ve tvaru U různých průřezů a barevnou kapalinou bylo zjištěno, že rychlost difúze barviva závisí na průměru trubice.

Injekční stříkačkou s tenkou hadičkou místo jehly vstříkneme 2 ml barviva – inkoust Rainbow-2 – do ohybu hadiček o průměru 8, 32, 50 a 80 mm, naplněných vodou do výšky 40 mm. V trubici o průměru 8 mm bude rychlost difuze asi centimetr za den. U trubek s větším průřezem jde proces mnohem rychleji (viz tabulka).

To znamená, že rychlost difúze je nepřímo úměrná ploše průřezu trubky (V d ~ 1/S), což odpovídá teorii.

Měření byla provedena při teplotě vody 20°C. Když byla voda ochlazena na 18 °C a níže, rychlost difúze se při zahřátí nad 25 °C výrazně zpomalila, prudce vzrostla a stala se téměř stejnou ve všech trubicích.