Сифон

Устройство, предусматривающее протекание жидкости по трубкам

Принцип сифона

В сифоне с летящими каплями поверхностное натяжение разделяет поток жидкости на отдельные капли внутри герметичной, наполненной воздухом камеры, предотвращая контакт жидкости, опускающейся вниз, с жидкостью, поднимающейся вверх, и тем самым предотвращая вытягивание жидкости силой растяжения жидкости. вверх. Это также демонстрирует, что влияние атмосферного давления на входе не компенсируется равным атмосферным давлением на выходе.

Сифон (от древнегреческого σίφων ( síphōn )  «труба, трубка»; также пишется как сифон ) — это любое из множества устройств, в которых жидкость течет по трубкам. В более узком смысле это слово относится, в частности, к трубке в форме перевернутой буквы «U», которая заставляет жидкость течь вверх, над поверхностью резервуара , без насоса , но приводится в движение за счет падения жидкости во время ее течения. вниз по трубке под действием силы тяжести , а затем вытекает на уровень ниже поверхности резервуара, из которого он вышел.

Существуют две ведущие теории о том, как сифоны заставляют жидкость течь вверх против силы тяжести, без перекачки и приводиться в движение только за счет силы тяжести. Традиционная теория на протяжении веков заключалась в том, что сила тяжести, тянущая жидкость вниз на стороне выхода сифона, приводила к снижению давления в верхней части сифона. Затем атмосферное давление смогло вытолкнуть жидкость из верхнего резервуара вверх в пониженное давление в верхней части сифона, как в барометре или соломинке для питья , а затем выше. ^{[1] [2] [3] [4]} Однако было продемонстрировано, что сифоны могут работать в вакууме ^{[4] [5] [6] [7]} и на высотах, превышающих барометрическую высоту жидкости. ^{[4] [5] [8]} Следовательно, была выдвинута теория когезионного натяжения работы сифона, согласно которой жидкость перетекает через сифон аналогично цепному фонтану . ^[9] Не обязательно, чтобы одна теория была правильной, скорее, обе теории могут быть правильными в различных условиях окружающего давления. Атмосферное давление с теорией гравитации не может объяснить сифоны в вакууме, где нет значительного атмосферного давления. Но напряжение сцепления с теорией гравитации не может объяснить сифоны газа CO _{2 , сифоны} ^[10] , работающие несмотря на пузырьки, и сифон с летящими каплями, где газы не оказывают значительных сил притяжения, а жидкости, не находящиеся в контакте, не могут создавать силу сцепления.

Все известные опубликованные в наше время теории признают уравнение Бернулли как достойное приближение к идеализированной работе сифона без трения.

История

Сифон Паскаля, показывающий два стакана с ртутью внутри контейнера с водой, демонстрирующий, что сифон работает за счет атмосферного давления, а не то, что «природа не терпит вакуума».

Египетские рельефы 1500 г. до н.э. изображают сифоны, используемые для извлечения жидкостей из больших кувшинов для хранения. ^{[11] [12]}

Вещественными свидетельствами использования сифонов греками являются чаша правосудия Пифагора на Самосе в 6 веке до нашей эры и использование греческими инженерами в 3 веке до нашей эры в Пергаме . ^{[12] [13]}

Герой Александрийский подробно писал о сифонах в трактате «Пневматика» . ^[14]

Братья Бану Муса из Багдада 9-го века изобрели двойной концентрический сифон, который они описали в своей «Книге гениальных устройств» . ^{[15] [16]} Издание под редакцией Хилла включает анализ двойного концентрического сифона.

Сифоны изучались дальше в 17 веке в контексте всасывающих насосов (и недавно разработанных вакуумных насосов ), особенно с целью понять максимальную высоту насосов (и сифонов) и кажущийся вакуум в верхней части ранних барометров . Первоначально это было объяснено Галилео Галилеем с помощью теории ужаса вакуума («природа не терпит вакуума»), которая восходит к Аристотелю и которую Галилей переформулировал как «resintenza del vacuo» , но впоследствии это было опровергнуто более поздними исследователями, в частности Евангелистой Торричелли и Блезом . Паскаль ^[17]  – см. Барометр: история .

Теория

Практичный сифон, работающий при типичном атмосферном давлении и высоте трубки, работает, потому что сила тяжести, действующая на более высокий столб жидкости, оставляет пониженное давление в верхней части сифона (формально, гидростатическое давление, когда жидкость не движется). Это пониженное давление вверху означает, что силы тяжести, притягивающей более короткий столб жидкости вниз, недостаточно, чтобы удерживать жидкость в неподвижном состоянии против атмосферного давления, толкающего ее вверх в зону пониженного давления в верхней части сифона. Таким образом, жидкость течет из области более высокого давления верхнего резервуара вверх в зону более низкого давления в верхней части сифона, через верхнюю часть, а затем, с помощью силы тяжести и более высокого столба жидкости, вниз к сифону. зона повышенного давления на выходе. ^{[2] [18]}

Цепная модель, в которой секция, отмеченная буквой «В», тянется вниз, поскольку она тяжелее секции «А», представляет собой ошибочную, но полезную аналогию с работой сифона.

Цепная модель — полезная, но не совсем точная концептуальная модель сифона. Цепная модель помогает понять, как сифон может заставить жидкость течь вверх, питаясь только нисходящей силой гравитации. Иногда сифон можно представить как цепь, висящую на шкиве, причем один конец цепи уложен на более высокую поверхность, чем другой. Поскольку длина цепи на более короткой стороне меньше, чем длина цепи на более высокой стороне, более тяжелая цепь на более высокой стороне будет двигаться вниз и подтягивать вверх цепь на более легкой стороне. Подобно сифону, модель цепочки, очевидно, приводится в действие только силой тяжести, действующей на более тяжелую сторону, и явно не нарушается закон сохранения энергии, поскольку цепь в конечном итоге просто перемещается из более высокого места в более низкое, как это делает жидкость. в сифоне.

Даже падение более легкой голени из C в D может привести к тому, что жидкость из более тяжелой верхней части ноги перетечет вверх и в нижний резервуар ^[19].

Существует ряд проблем с цепной моделью сифона, и понимание этих различий помогает объяснить реальную работу сифонов. Во-первых, в отличие от цепной модели сифона, на самом деле важен не вес более высокой стороны по сравнению с более короткой стороной. Скорее, это разница в высоте между поверхностями резервуара и верхней частью сифона, которая определяет баланс давления . Например, если трубка от верхнего резервуара до верха сифона имеет гораздо больший диаметр, чем более высокий участок трубки от нижнего резервуара до верха сифона, более короткая верхняя часть сифона может иметь гораздо больший диаметр. вес жидкости в нем, и тем не менее более легкий объем жидкости в нижней трубке может вытягивать жидкость вверх по более толстой верхней трубке, и сифон может функционировать нормально. ^[19]

Еще одно отличие состоит в том, что в большинстве практических обстоятельств растворенные газы, давление пара и (иногда) отсутствие адгезии со стенками трубки приводят к тому, что прочность на разрыв внутри жидкости становится неэффективной для перекачивания. Таким образом, в отличие от цепи, которая обладает значительной прочностью на разрыв, жидкости обычно имеют небольшую прочность на разрыв в типичных условиях сифона, и поэтому жидкость на восходящей стороне не может быть подтянута вверх так, как подтягивается цепь на восходящей стороне. ^{[7] [18]}

Иногда неправильное понимание сифонов заключается в том, что они полагаются на силу растяжения жидкости, которая вытягивает жидкость вверх и вверх. ^{[2] [18]} Хотя в некоторых экспериментах было обнаружено, что вода обладает значительной прочностью на разрыв (например, с z-образной трубкой ^[20] ), а сифоны в вакууме полагаются на такое сцепление, можно легко продемонстрировать, что обычные сифоны нуждаются в никакой жидкой прочности на растяжение вообще не работает. ^{[7] [2] [18]} Кроме того, поскольку обычные сифоны работают при положительном давлении по всему сифону, предел прочности жидкости на разрыв отсутствует, поскольку молекулы фактически отталкиваются друг от друга, чтобы противостоять давлению, а не притягиваться. друг друга. ^[7]

Сифон с воздушным запуском. Когда столб жидкости упадет от C вниз к D, жидкость из верхнего резервуара будет течь вверх к B и через верх. ^{[2] [18]} Для вытягивания жидкости вверх не требуется никакой силы растяжения.

Для демонстрации более длинную нижнюю часть обычного сифона можно заткнуть снизу и заполнить жидкостью почти до верха, как показано на рисунке, оставив верхнюю часть и более короткую верхнюю часть полностью сухими и содержащими только воздух. Когда заглушка удалена и жидкость из более длинной голени может упасть, жидкость в верхнем резервуаре обычно вытесняет пузырь воздуха вниз и из трубки. После этого аппарат продолжит работать как обычный сифон. Поскольку в начале этого эксперимента между жидкостью по обе стороны сифона нет контакта, между молекулами жидкости не может быть сцепления, которое могло бы тянуть жидкость через подъем. Сторонники теории прочности на растяжение жидкости предположили, что сифон с воздушным запуском демонстрирует эффект только при запуске сифона, но ситуация меняется после того, как пузырь выметается и сифон достигает устойчивого потока. Но аналогичный эффект можно увидеть и в сифоне летящих капель (см. выше). Сифон с летящими каплями работает непрерывно, при этом сила растяжения жидкости не вытягивает жидкость вверх.

Демонстрация перекачивания пунша из тропических фруктов с помощью сифона с летящими каплями.

Сифон на видеодемонстрации стабильно работал более 28 минут, пока верхний резервуар не опустел. Еще одна простая демонстрация того, что в сифоне не нужна прочность на разрыв жидкости, — это просто ввести пузырек в сифон во время работы. Пузырь может быть достаточно большим, чтобы полностью разъединить жидкости в трубке до и после пузырька, преодолевая любую прочность жидкости на растяжение, и все же, если пузырь не слишком большой, сифон будет продолжать работать с небольшими изменениями, поскольку он выметает пузырь. вне.

Другое распространенное заблуждение о сифонах заключается в том, что, поскольку атмосферное давление практически одинаково на входе и выходе, атмосферное давление уравновешивается, и поэтому атмосферное давление не может выталкивать жидкость вверх по сифону. Но равные и противоположные силы не могут полностью нейтрализоваться, если существует вмешивающаяся сила, которая противодействует некоторой или всей одной из сил. В сифоне атмосферное давление на входе и выходе уменьшается за счет силы тяжести, тянущей жидкость в каждой трубке, но давление на нижней стороне снижается еще больше за счет более высокого столба жидкости на нижней стороне. По сути, атмосферное давление, поднимающееся вверх по нижней стороне, не полностью «достигает» вверх, чтобы компенсировать все атмосферное давление, толкающее вверх. Этот эффект легче увидеть на примере двух тележек, которые толкают вверх по противоположным сторонам холма. Как показано на диаграмме, даже несмотря на то, что толчок человека слева, кажется, полностью аннулируется равным и противоположным толчком человека справа, кажущийся отмененный толчок человека слева по-прежнему является источником силы толчка. левая тележка вверх.

Пример равных и противоположных сил, которые, казалось бы, уравновешивают друг друга, однако кажущаяся отмененной сила слева все равно толкает объект вверх, подобно тому, как равное и противоположное атмосферное давление на каждом конце сифона, которое, казалось бы, отменить, атмосферное давление все еще может вытолкнуть жидкость вверх. (Машины не привязаны друг к другу, поэтому не тянут друг друга, а только толкают.)

В некоторых ситуациях сифоны функционируют при отсутствии атмосферного давления и из-за прочности на разрыв (см. вакуумные сифоны), и в этих ситуациях цепная модель может быть поучительной. Кроме того, в других условиях транспорт воды действительно происходит из-за напряжения, особенно в результате транспирационного притяжения в ксилеме сосудистых растений . ^{[2] [21]} Может показаться, что вода и другие жидкости не обладают прочностью на разрыв, потому что, когда их зачерпывают и тянут, жидкости сужаются и легко разрываются. Но прочность жидкости на разрыв в сифоне возможна, когда жидкость прилипает к стенкам трубки и тем самым сопротивляется сужению. Любое загрязнение стенок трубки, такое как жир или пузырьки воздуха, или другие незначительные воздействия, такие как турбулентность или вибрация, могут привести к отделению жидкости от стенок и потере всей прочности на разрыв.

Более подробно можно посмотреть, как меняется гидростатическое давление через статический сифон, рассматривая поочередно вертикальную трубку от верхнего резервуара, вертикальную трубку от нижнего резервуара и соединяющую их горизонтальную трубку (предположив U-образную форму). . При уровне жидкости в верхнем резервуаре жидкость находится под атмосферным давлением, а по мере подъема по сифону гидростатическое давление уменьшается (при вертикальном изменении давления ), так как вес атмосферного давления, толкающий воду вверх, уравновешивается столбом вода в сифоне выталкивается вниз (пока не будет достигнута максимальная высота барометра/сифона, после чего жидкость не может быть вытолкнута выше) – тогда гидростатическое давление в верхней части трубки становится ниже атмосферного давления на величину, пропорциональную высота трубки. Проведение того же анализа на трубке, поднимающейся из нижнего резервуара, позволяет получить давление в верхней части этой (вертикальной) трубки; это давление ниже, потому что трубка длиннее (больше воды толкает вниз) и требует, чтобы нижний резервуар был ниже верхнего резервуара или, в более общем смысле, чтобы выпускное отверстие просто было ниже поверхности верхнего резервуара. Рассматривая теперь соединяющую их горизонтальную трубку, можно увидеть, что давление в верхней части трубки из верхнего резервуара выше (поскольку поднимается меньше воды), а давление в верхней части трубки из нижнего резервуара ниже ( поскольку поднимается больше воды), а поскольку жидкости перемещаются от высокого давления к низкому давлению, жидкость течет по горизонтальной трубке из верхнего бассейна в нижний бассейн. Жидкость находится под положительным давлением (сжатием) по всей трубке, а не напряжением.

Уравнение Бернулли считается в научной литературе точным приближением к работе сифона. В неидеальных жидкостях уравнение Бернулли усложняется сжимаемостью, прочностью на разрыв и другими характеристиками рабочей жидкости (или нескольких жидкостей).

После запуска сифон не требует дополнительной энергии для поддержания потока жидкости вверх и из резервуара. Сифон будет вытягивать жидкость из резервуара до тех пор, пока уровень не упадет ниже уровня впускного отверстия, позволяя воздуху или другому окружающему газу разрушить сифон, или пока выпускное отверстие сифона не сравняется с уровнем резервуара, в зависимости от того, что наступит раньше.

Помимо атмосферного давления , плотности жидкости и силы тяжести , максимальная высота гребня в практических сифонах ограничивается давлением паров жидкости. Когда давление внутри жидкости падает ниже давления паров жидкости, в верхней точке могут начать образовываться крошечные пузырьки пара, и эффект сифона прекратится. Этот эффект зависит от того, насколько эффективно жидкость может образовывать пузырьки; при отсутствии примесей или шероховатых поверхностей, которые могут служить легкими местами зарождения пузырьков, сифоны могут временно превышать свою стандартную максимальную высоту в течение длительного времени, необходимого пузырькам для зарождения. Один сифон дегазированной воды был продемонстрирован на высоте 24  м (79 футов ) в течение длительного периода времени ^[8], а другие контролируемые эксперименты - на глубине 10  м (33 фута ). ^[22] Для воды при стандартном атмосферном давлении максимальная высота сифона составляет примерно 10 м (33 фута); для ртутного столба оно составляет 76 см (30 дюймов ), что соответствует стандартному давлению. Это соответствует максимальной высоте всасывающего насоса , который работает по тому же принципу. ^{[17] [23]} Отношение высот (около 13,6) равно отношению плотностей воды и ртути (при данной температуре), поскольку столб воды (соответственно ртути) уравновешивается столбом воздуха, создавая атмосферное давление. , и действительно, максимальная высота (без учета давления пара и скорости жидкости) обратно пропорциональна плотности жидкости.

Современные исследования работы сифона

В 1948 году Малкольм Ноукс исследовал сифоны, работающие как под давлением воздуха , так и в частичном вакууме ; для сифонов в вакууме он пришел к следующему выводу: «Гравитационная сила, действующая на столб жидкости в сливной трубке, меньше силы тяжести в заборной трубке, заставляет жидкость двигаться. Таким образом, жидкость находится в напряжении и выдерживает продольное напряжение, которое в отсутствие возмущающих факторов недостаточно, чтобы разорвать столб жидкости». А вот для сифонов малой высоты водозабора, работающих при атмосферном давлении, он писал: «...натяжение столба жидкости нейтрализуется и обращается вспять сжимающим действием атмосферы на противоположные концы столба жидкости». ^[7]

Поттер и Барнс из Эдинбургского университета вновь обратились к сифонам в 1971 году. Они пересмотрели теории сифона и провели эксперименты с сифонами под давлением воздуха. Они пришли к выводу: «К настоящему моменту должно быть ясно, что, несмотря на богатые традиции, основной механизм сифона не зависит от атмосферного давления». ^[24]

Гравитация , давление и молекулярное сцепление были в центре внимания работы Хьюза в 2010 году из Технологического университета Квинсленда . Он использовал сифоны при давлении воздуха и пришел к выводу: «Поток воды из нижней части сифона зависит от разницы высот между притоком и оттоком и, следовательно, не может зависеть от атмосферного давления…» [ ^21] Хьюз так и сделал. продолжил работу над сифонами при атмосферном давлении в 2011 году и пришел к выводу: «Описанные выше эксперименты демонстрируют, что обычные сифоны при атмосферном давлении работают под действием силы тяжести, а не атмосферного давления». ^[25]

Отец и сын-исследователи Раметт и Раметт успешно откачали углекислый газ под давлением воздуха в 2011 году и пришли к выводу, что молекулярное сцепление не требуется для работы сифона, но: «Основное объяснение действия сифона состоит в том, что, как только трубка наполняется, Поток инициируется большей силой тяжести жидкости на длинной стороне по сравнению с таковой на короткой стороне. Это создает перепад давления по всей сифонной трубке, в том же смысле, как «всасывание» соломинки снижает давление вдоль его длина вплоть до точки забора. Окружающее атмосферное давление в точке забора реагирует на пониженное давление, вынуждая жидкость подниматься вверх, поддерживая поток, точно так же, как в постоянно всасываемой соломинке в молочном коктейле». ^[1]

В 2011 году Ричерт и Биндер (из Гавайского университета ) исследовали сифон и пришли к выводу, что молекулярное сцепление не требуется для работы сифона, а зависит от силы тяжести и перепада давления, написав: «Поскольку жидкость изначально закачивается в Длинная ножка сифона устремляется вниз под действием силы тяжести, оставляя после себя частичный вакуум, который позволяет давлению на входную точку более высокого контейнера выталкивать жидкость вверх по ножке на этой стороне». ^[2]

Исследовательской группе Боутрайта, Путтика и Лиценса из Ноттингемского университета удалось запустить сифон в условиях высокого вакуума также в 2011 году. Они написали: «Широко распространено мнение, что сифон в основном приводится в движение силой атмосферного давления. Давление. Описан эксперимент, показывающий, что сифон может функционировать даже в условиях высокого вакуума. Показано, что молекулярное сцепление и сила тяжести являются способствующими факторами в работе сифона; наличие положительного атмосферного давления не требуется". ^[26]

В статье для журнала Physics Today в 2011 году Дж. Дули из Университета Миллерсвилля заявил, что для работы сифона необходимы как перепад давления внутри сифонной трубки, так и прочность жидкости на разрыв. ^[27]

Исследователь из Государственного университета Гумбольдта А. МакГуайр исследовал поток в сифонах в 2012 году. Используя передовой пакет программного обеспечения для мультифизического моделирования общего назначения LS-DYNA, он исследовал инициализацию давления, поток и распространение давления внутри сифона. Он пришел к выводу: «Давление, гравитация и молекулярное сцепление могут быть движущими силами в работе сифонов». ^[3]

В 2014 году Хьюз и Гурунг (из Технологического университета Квинсленда) использовали сифон для воды при различном давлении воздуха в диапазоне от уровня моря до 11,9 км (39 000  футов ) высота. Они отметили: «Поток оставался более или менее постоянным во время подъема, что указывает на то, что поток сифона не зависит от атмосферного давления окружающей среды ». Они использовали уравнение Бернулли и уравнение Пуазейля для исследования перепада давления и потока жидкости внутри сифона. Их вывод был таков: «Из приведенного выше анализа следует, что должна существовать прямая когезионная связь между молекулами воды, втекающими в сифон и выходящим из него. Это верно при всех атмосферных давлениях, при которых давление в вершине сифона превышает давление. давление паров воды, за исключением ионных жидкостей». ^[28]

Практические требования

В качестве сифона можно использовать обычную трубку. Чтобы запустить поток жидкости и заполнить сифон , необходимо использовать внешний насос (при домашнем использовании это часто делается человеком, вдыхающим через трубку до тех пор, пока жидкость не наполнится достаточным количеством жидкости; это может представлять опасность для пользователя, в зависимости от жидкость, которую откачивают). Иногда это делается с помощью любого герметичного шланга для перекачивания бензина из бензобака автомобиля во внешний бак. (Откачивание бензина через рот часто приводит к случайному проглатыванию бензина или его всасыванию в легкие, что может привести к смерти или повреждению легких. [ ^29] ). высокая точка, и необходимо следить за тем, чтобы труба оставалась затопленной во время ее подъема, насос не требуется. Устройства, продаваемые как сифоны, часто поставляются с сифонным насосом , позволяющим запустить процесс сифона.

В некоторых случаях может быть полезно использовать сифонную трубку, размер которой не намного больше необходимого. Использование трубопроводов слишком большого диаметра и последующее дросселирование потока с помощью клапанов или сужающих труб, по-видимому, усиливает эффект ранее упомянутых проблем, связанных с скоплением газов или паров в гребне, которые служат для разрушения вакуума. Если вакуум уменьшить слишком сильно, эффект сифона может быть утерян. Уменьшение размера используемой трубы в соответствии с требованиями, по-видимому, уменьшает этот эффект и создает более функциональный сифон, который не требует постоянной повторной заливки и перезапуска. В этом отношении, когда требуется согласовать поток в контейнер с потоком из указанного контейнера (например, для поддержания постоянного уровня в пруду, питаемом ручьем), было бы предпочтительно использовать два или три отдельных устройства меньшего размера. параллельные трубы, которые можно запускать по мере необходимости, вместо того, чтобы пытаться использовать одну большую трубу и пытаться ее дросселировать.

Автоматический прерывистый сифон

Сифоны иногда используются в качестве автоматических машин в ситуациях, когда желательно превратить непрерывный капельный поток или нерегулярный небольшой пульсирующий поток в большой пульсирующий объем. Типичным примером этого является общественный туалет с писсуарами, регулярно смываемыми автоматическим сифоном в небольшом резервуаре для воды над головой. Когда контейнер заполняется, вся накопленная жидкость высвобождается, образуя большой объем, который затем сбрасывается и заполняется снова. Один из способов выполнения этого прерывистого действия предполагает использование сложных механизмов, таких как поплавки, цепи, рычаги и клапаны, но они со временем могут подвергнуться коррозии, изнашиваться или заклинивать. Альтернативный метод заключается в использовании жестких труб и камер, в которых в качестве рабочего механизма используется только сама вода в сифоне.

Сифон, используемый в автоматическом необслуживаемом устройстве, должен иметь возможность надежно и безотказно работать. Он отличается от обычных демонстрационных самозапускающихся сифонов тем, что в некоторых случаях сифон может выйти из строя, что требует ручного вмешательства для возврата к нормальному режиму работы с пульсирующим потоком. Видео-демонстрацию самозапускающегося сифона можно найти здесь, любезно предоставлено The Curiosity Show .

Наиболее распространенной неисправностью является медленное вытекание жидкости, соответствующее скорости заполнения контейнера, и сифон переходит в нежелательное устойчивое состояние. Для предотвращения подтекания обычно используются пневматические принципы улавливания одного или нескольких крупных пузырьков воздуха в различных трубах, которые закрываются водоотделителями. Этот метод может дать сбой, если он не сможет начать работать с перерывами без воды, уже присутствующей в частях механизма, и которая не будет заполнена, если механизм запустится из сухого состояния.

Вторая проблема заключается в том, что захваченные воздушные карманы со временем сжимаются, если сифон не работает из-за отсутствия притока. Воздух в карманах поглощается жидкостью, которая втягивает жидкость вверх в трубопровод до тех пор, пока воздушный карман не исчезнет, ​​и может вызвать активацию потока воды за пределами нормального рабочего диапазона, когда резервуар для хранения не заполнен, что приводит к потере жидкости. уплотнитель в нижних частях механизма.

Третья проблема заключается в том, что нижний конец жидкостного затвора представляет собой просто U-образный изгиб выпускной трубы. Во время энергичного опорожнения кинетическое движение жидкости через выпускное отверстие может вытолкнуть слишком много жидкости, что приведет к потере герметизирующего объема в сливной ловушке и потере захваченных пузырьков воздуха, необходимых для поддержания прерывистой работы.

Четвертая проблема связана с дренажными отверстиями в механизме, предназначенными для медленного наполнения различных уплотнительных камер, когда сифон высохнет. Отверстия для просачивания могут быть засорены мусором и коррозией, что потребует ручной очистки и вмешательства. Чтобы предотвратить это, использование сифона может быть ограничено источниками чистой жидкости, без твердых частиц и осадка.

Многие автоматические сифоны были изобретены, по крайней мере, в 1850-х годах для автоматических сифонных механизмов, которые пытаются преодолеть эти проблемы, используя различные пневматические и гидродинамические принципы.

Приложения и терминология

Перекачивание пива после первого брожения

Когда необходимо очистить определенные жидкости, сифонирование может помочь предотвратить перемещение низа ( отбросов ) или верха ( пены и поплавков) из одного контейнера в новый контейнер. По этой причине сифонирование полезно при брожении вина и пива, поскольку оно может предотвратить попадание нежелательных примесей в новый контейнер.

Сифоны, изготовленные своими руками из труб или трубок, можно использовать для откачки воды из подвалов после затопления. Между затопленным погребом и более глубоким местом снаружи прокладывают соединение с помощью трубки или нескольких трубок. Они заполняются водой через впускной клапан (в самом верхнем конце конструкции). Когда концы открыты, вода стекает по трубе в канализацию или реку.

Сифонное орошение хлопка в Сент-Джордже, Квинсленд .

На орошаемых полях широко распространено сифонирование для перекачки контролируемого количества воды из канавы через ее стену в борозды.

Большие сифоны могут использоваться на городских водопроводных станциях и в промышленности. Их размер требует контроля посредством клапанов на входе, выходе и гребне сифона. Сифон можно заправить, закрыв впускное и выпускное отверстия и наполнив сифон до верха. Если впускные и выпускные отверстия погружены в воду, на гребне можно использовать вакуумный насос для заполнения сифона. В качестве альтернативы сифон может быть заполнен насосом либо на впуске, либо на выпуске. Газ в жидкости является проблемой для больших сифонов. ^[30] Газ имеет тенденцию скапливаться на гребне, и если его становится достаточно, чтобы прервать поток жидкости, сифон перестает работать. Сифон сам по себе усугубит проблему, поскольку, когда жидкость поднимается через сифон, давление падает, в результате чего растворенные в жидкости газы выходят из раствора. Более высокая температура ускоряет выделение газа из жидкостей, поэтому помогает поддержание постоянной низкой температуры. Чем дольше жидкость находится в сифоне, тем больше газа выделяется, поэтому в целом более короткий сифон помогает. Местные высокие точки будут улавливать газ, поэтому впускные и выпускные патрубки должны иметь непрерывные уклоны без промежуточных высоких точек. Поток жидкости перемещает пузырьки, поэтому впускной патрубок может иметь пологий наклон, поскольку поток выталкивает пузырьки газа к гребню. И наоборот, выпускной патрубок должен иметь крутой наклон, чтобы пузырьки могли двигаться против потока жидкости; хотя другие конструкции также требуют небольшого уклона выпускного патрубка, чтобы пузырьки могли выходить из сифона. На гребне газ может задерживаться в камере над гребнем. Время от времени камеру необходимо снова наполнять жидкостью для удаления газа.

Сифон, используемый для домашнего пивоварения

Сифонный датчик дождя

Сифонный дождемер — это дождемер , который может регистрировать количество осадков в течение длительного периода. Сифон используется для автоматического опорожнения манометра. Его часто называют просто «сифонным манометром», и его не следует путать с сифонным манометром.

Сифонный дренаж

С 2022 года на нескольких скоростных автомагистралях применяется метод сифонного дренажа. Недавние исследования показали, что он может снизить уровень грунтовых вод за подпорными стенками скоростной дороги, при этом не было никаких признаков засорения. Эта новая дренажная система впервые внедряется как долгосрочный метод ограничения риска протечек в подпорной стене. ^[31] Сифонный дренаж также используется при осушении нестабильных склонов, а сифонные системы дренажа кровельной воды используются с 1960-х годов. ^{[32] [33]}

Сифонный водосброс

Сифонный водосброс на плотине обычно технически не является сифоном, поскольку обычно используется для отвода повышенного уровня воды. ^[34] Однако сифонный водосброс действует как настоящий сифон, если он поднимает поток выше поверхности водоема-источника, как это иногда бывает при использовании в ирригации. ^{[35] [21]} При эксплуатации сифонный водосброс считается «потоком в трубе» или «потоком в закрытом канале». ^[36] Нормальный поток водосброса находится под давлением высоты резервуара над водосбросом, тогда как скорость потока сифона определяется разницей в высоте входа и выхода. ^{[ нужна цитата ]} В некоторых конструкциях используется автоматическая система, которая использует поток воды в спиральном вихре для удаления воздуха над ним и заполнения сифона. Такая конструкция включает в себя спиральный сифон. ^[37]

Спустить унитаз

Туалеты со смывом часто имеют некоторый сифонный эффект при опорожнении унитаза.

В некоторых туалетах также используется принцип сифона для получения фактического смыва из бачка . Смыв запускается рычагом или ручкой, которая приводит в действие простой поршневой насос в форме диафрагмы, который поднимает достаточное количество воды до вершины сифона, чтобы начать поток воды, который затем полностью опорожняет содержимое бачка в унитаз. Преимущество этой системы заключалось в том, что вода из цистерны не вытекала, за исключением случаев смыва. Они были обязательными в Великобритании до 2011 года. ^{[38] [ проверка не удалась ]}

Ранние писсуары имели в бачке сифон, который автоматически смывался в регулярном цикле, поскольку в бачок постоянно поступала струйка чистой воды через слегка открытый клапан.

Устройства, не являющиеся настоящими сифонами

Сифонный кофе

Сифонная кофеварка: при нагревании источником тепла (A) давление пара в нижней камере (B) увеличивается, заставляя воду опускаться вниз (C) и через центральную трубу в верхнюю камеру (D), где она смешивается с кофейная гуща. Когда тепло отводится, вода стекает обратно вниз.

Если оба конца сифона находятся под атмосферным давлением, жидкость течет сверху вниз, если нижний конец сифона находится под давлением, жидкость может течь снизу вверх. Если давление снять с нижнего конца, поток жидкости поменяет направление, показывая, что сифон приводится в движение давлением. Повседневной иллюстрацией этого является сифонная кофеварка , которая работает следующим образом (конструкции различаются; это стандартная конструкция, без кофейной гущи):

• стеклянный сосуд наполняют водой, затем закупоривают (так герметично) сифоном, торчащим вертикально вверх
• сверху ставится еще один стеклянный сосуд, открытый в атмосферу – верхний сосуд пуст, нижний заполнен водой
• затем нижний сосуд нагревается; с повышением температуры увеличивается давление пара воды (она все больше испаряется); когда вода закипает, давление пара становится равным атмосферному давлению, а когда температура превышает температуру кипения, давление в нижнем сосуде превышает атмосферное давление и выталкивает воду по сифонной трубке в верхний сосуд.
• небольшое количество еще горячей воды и пара остается в нижнем резервуаре и поддерживается нагретым, при этом давление удерживает воду в верхнем резервуаре.
• когда тепло отводится из нижнего сосуда, давление пара уменьшается и больше не может поддерживать столб воды – сила тяжести (действующая на воду) и атмосферное давление затем выталкивают воду обратно в нижний сосуд.

На практике верхний сосуд заполняется кофейной гущей, а тепло отводится из нижнего сосуда, когда кофе заваривается. Конкретно давление пара означает, что кипящая вода превращает воду высокой плотности (жидкость) в пар низкой плотности (газ), который, таким образом, расширяется и занимает больший объем (другими словами, давление увеличивается). Это давление расширяющегося пара затем выталкивает жидкость вверх по сифону; когда пар затем конденсируется в воду, давление уменьшается, и жидкость стекает обратно вниз.

Сифонный насос

Если простой сифон не может выводить жидкость на уровень выше резервуара-источника, то более сложное устройство, использующее герметичную дозирующую камеру на гребне и систему автоматических клапанов, может постоянно сливать жидкость на уровень выше уровня источника. резервуара без добавления внешней энергии для перекачки. Он может добиться этого, несмотря на то, что на первый взгляд кажется нарушением закона сохранения энергии, поскольку он может использовать энергию большого объема жидкости, падающей на некоторое расстояние, для поднятия и сброса небольшого объема жидкости над резервуаром-источником. Таким образом, можно сказать, что для выдачи небольшого количества «требуется» большое количество падающей жидкости. Такая система обычно работает циклично или по схеме «старт/стоп», но непрерывно и с автономным питанием. ^{[39] [40]} Насосы Ram не работают таким образом. Эти дозирующие насосы представляют собой настоящие сифонные насосные устройства, в которых сифоны используются в качестве источника питания.

Перевернутый сифон

Гидрозатвор под раковиной. Перевернутое сифонирование происходит ниже линии «А».

Перевернутый сифон — это не сифон, а термин, применяемый к трубам, которые должны опускаться ниже препятствия, чтобы образовать U-образный путь потока.

Большие перевернутые сифоны используются для транспортировки воды по каналам или лоткам через долины для орошения или добычи золота. Римляне использовали перевернутые сифоны из свинцовых труб, чтобы пересекать долины, которые были слишком велики для строительства акведука . ^{[41] [42] [43]}

Перевернутые сифоны обычно называют ловушками из-за их функции предотвращения возвращения канализационных газов из канализации ^[44] и иногда создания плотных объектов, таких как кольца и электронные компоненты, которые можно извлечь после падения в канализацию. ^{[45] [46]} Жидкость, текущая с одного конца, просто выталкивает жидкость вверх и наружу с другого конца, но твердые частицы, такие как песок, будут накапливаться. Это особенно важно в канализационных системах или водопропускных трубах , которые необходимо прокладывать под реками или другими глубокими препятствиями, где лучше использовать термин «погруженная канализация». ^{[47] [48]}

Задний сифонаж

Обратный сифонаж - это сантехнический термин, применяемый к изменению нормального потока воды в водопроводной системе из-за резкого снижения или отрицательного давления на стороне водоснабжения , например, из-за высокого спроса на воду при пожаротушении ; ^[49] это не настоящий сифон, поскольку он всасывающий . ^[50] Обратный сифонаж встречается редко, поскольку он зависит от затопленных входных отверстий на выпускном (домашнем) конце, а это редкость. ^[51] Обратный сифонаж не следует путать с обратным потоком ; который представляет собой обратный поток воды от выпускного конца к подающему концу, вызванный давлением, возникающим на выпускном конце. ^[51] Кроме того, строительные нормы и правила обычно требуют установки обратного клапана на входе воды в здание, чтобы предотвратить обратный поток в систему питьевой воды .

Антисифонный клапан

Строительные нормы и правила часто содержат определенные разделы, посвященные обратному сифонажу, особенно внешним кранам (см. пример цитаты из строительных норм ниже). В таких конструкциях необходимы устройства предотвращения обратного потока , такие как антисифонные клапаны ^{[52] .} Причина в том, что внешние краны могут быть прикреплены к шлангам, которые могут быть погружены во внешний водоем, например, в садовый пруд , бассейн , аквариум или стиральную машину . В этих ситуациях нежелательный поток на самом деле является не результатом сифона, а всасыванием из-за пониженного давления на стороне подачи воды. В случае падения давления в системе водоснабжения наружную воду можно вернуть противодавлением в систему питьевого водоснабжения через кран. Еще одним возможным местом загрязнения является водозабор в бачке унитаза. Здесь также необходим антисифонный клапан, чтобы предотвратить перепады давления в водопроводе из-за всасывания воды из бачка унитаза (который может содержать такие добавки, как «туалетная синька» [ ^53] ) и загрязнения водопроводной системы. Антисифонные клапаны действуют как однонаправленный обратный клапан .

Антисифонные клапаны также используются в медицине. Гидроцефалию или избыток жидкости в головном мозге можно лечить с помощью шунта , который отводит спинномозговую жидкость из головного мозга. Все шунты имеют клапан для сброса избыточного давления в головном мозге. Шунт может вести в брюшную полость, так что выходное отверстие шунта находится значительно ниже, чем входное отверстие шунта, когда пациент стоит. Таким образом, может иметь место сифонный эффект, и вместо простого сброса избыточного давления шунт может действовать как сифон, полностью сливая спинномозговую жидкость из головного мозга. Клапан в шунте может быть спроектирован так, чтобы предотвращать такое сифонное действие, чтобы отрицательное давление на дренаж шунта не приводило к избыточному дренажу. Только избыточное положительное давление внутри мозга должно привести к дренажу. ^{[54] [55] [56]}

Антисифонный клапан в медицинских шунтах предотвращает избыточный поток жидкости. В водопроводных системах антисифонный клапан предотвращает обратный поток.

Примеры строительных норм и правил, касающихся «обратного сифонажа» из канадской провинции Онтарио : [ ^57]

7.6.2.3.Обратный сифонаж

1. Каждая система питьевой воды, питающая оборудование или резервуар, не подвергающийся давлению выше атмосферного, должна быть защищена от обратного сифонажа с помощью устройства предотвращения обратного потока .
2. Если источник питьевой воды подключен к бойлеру, баку, рубашке охлаждения, системе разбрызгивания газонов или другому устройству, в котором непитьевая жидкость может находиться под давлением, превышающим атмосферное, или выпускное отверстие для воды может быть погружено в непитьевую жидкость, Подача воды должна быть защищена от обратного потока с помощью предохранителя обратного потока.
3. Если нагрудник для шланга установлен снаружи здания, внутри гаража или там, где существует явный риск загрязнения, система питьевой воды должна быть защищена от обратного потока с помощью устройства предотвращения обратного потока.

Другие антисифонные устройства

Наряду с антисифонными клапанами существуют и антисифонные устройства . Эти два не связаны в применении. Для удаления топлива из баков можно использовать сифонирование. Рост стоимости топлива в ряде стран связывают с ростом воровства топлива . Грузовики с их большими топливными баками наиболее уязвимы. Антисифонное устройство не позволяет ворам вставить трубку в топливный бак.

Сифонный барометр

Сифонный барометр — это термин, который иногда применяют к простейшему ртутному барометру . Сплошная U-образная трубка одинакового диаметра на всем протяжении запаяна с одного конца и заполнена ртутью. При установке в вертикальное положение «U» ртуть будет вытекать из герметичного конца, образуя частичный вакуум, пока он не уравновесится атмосферным давлением на другом конце. Термин «сифон» происходит от убеждения, что в работе сифона участвует давление воздуха. Разница в высоте жидкости между двумя плечами U-образной трубки такая же, как максимальная промежуточная высота сифона. Сифонный барометр, используемый для измерения давления, отличного от атмосферного, иногда называют сифонным манометром ; это не сифоны, а стандартная U-образная конструкция ^[58], что привело к появлению этого термина. Сифонные барометры до сих пор производятся как прецизионные приборы. ^[59] Сифонные барометры не следует путать с сифонными дождемерами., ^[60]

Сифонная бутылка

Сифонные бутылки

Сифонная бутылка (также называемая сифоном для газировки или, архаично, сифоидом ^[61] ) представляет собой бутылку под давлением с вентиляционным отверстием и клапаном. Это не сифон, поскольку давление внутри бутылки выталкивает жидкость вверх и наружу через трубку. Особой формой был газоген .

Сифонная чашка

Сифонная чашка — это (подвешенный) резервуар с краской, прикрепленный к распылителю. Это не сифон, поскольку краску извлекает вакуумный насос. ^[62] Это название призвано отличать его от резервуаров с гравитационным питанием. Архаичное использование этого термина - чашка с маслом, в которой масло транспортируется из чашки через хлопковый фитиль или трубку на смазываемую поверхность. Это не сифон, а пример капиллярного действия .

Сифон Герона

Сифон Герона не является сифоном, поскольку он работает как нагнетательный насос с гравитационным приводом. ^{[63] [64]} на первый взгляд он кажется вечным двигателем, но останавливается, когда воздух в заливочном насосе заканчивается. В несколько иной конфигурации он также известен как фонтан Цапли . ^[65]

Сифон Вентури

Сифон Вентури , также известный как эдуктор , представляет собой не сифон, а разновидность вакуумного насоса , использующего эффект Вентури быстро текущих жидкостей (например, воздуха) для создания низкого давления для всасывания других жидкостей; Типичным примером является карбюратор . См. напор . Низкое давление в горловине трубки Вентури называется сифоном, когда вводится вторая жидкость, или аспиратором, когда жидкостью является воздух. Это пример неправильного представления о том, что давление воздуха является рабочей силой для сифонов.

Сифонный водоотвод с крыши

Несмотря на название, сифонный водоотвод с крыши не работает как сифон; В технологии используется гравитационная вакуумная откачка ^[66] для горизонтальной подачи воды из нескольких водостоков с крыши в одну водосточную трубу и для увеличения скорости потока. ^[67] Металлические перегородки на водосточных отверстиях на крыше уменьшают нагнетание воздуха, что повышает эффективность системы. ^[68] Одним из преимуществ этого метода дренажа является снижение капитальных затрат на строительство по сравнению с традиционным дренажем крыши. ^[66] Еще одним преимуществом является отсутствие наклона или наклона труб, необходимого для обычных дренажных труб с крыши. Однако эта система гравитационной перекачки в основном подходит для больших зданий и обычно не подходит для жилых домов. ^[68]

Самосифоны

Термин «самосифон» используется по-разному. Жидкости, состоящие из длинных полимеров, могут «самосифонировать» ^{[69] [70]} и эти жидкости не зависят от атмосферного давления. Самосифонирующие полимерные жидкости работают так же, как модель сифонной цепи, где нижняя часть цепи тянет остальную часть цепи вверх и через гребень. Это явление еще называют беструбным сифоном . ^[71]

Производители сифонов также часто используют слово «самосифон» в коммерческой литературе для описания портативных сифонов, содержащих насос. При использовании насоса для запуска сифона не требуется внешнего всасывания (например, изо рта/легких), поэтому продукт называют «самосифоном».

Если верхний резервуар устроен так, что жидкость в нем может подниматься выше высоты гребня сифона, поднимающаяся жидкость в резервуаре может «самозаполнить» сифон, и весь аппарат можно описать как «самосифон». ^[72] После заливки такой сифон будет продолжать работать до тех пор, пока уровень верхнего резервуара не упадет ниже впускного отверстия сифона. Такие самовсасывающие сифоны используются в некоторых дождемерах и плотинах.

В природе

Анатомия

Термин «сифон» используется для ряда структур в анатомии человека и животных либо потому, что здесь задействованы текущие жидкости, либо потому, что структура имеет форму сифона, но в которой не происходит фактического сифонного эффекта: см. Сифон (значения) .

Был спор о том, играет ли сифонный механизм роль в кровообращении . Однако в «замкнутом цикле» обращения это не учитывалось; «Напротив, в «закрытых» системах, таких как циркуляция, гравитация не препятствует восходящему потоку и не вызывает нисходящего потока, поскольку сила тяжести одинаково действует на восходящие и нисходящие части контура», но по «историческим причинам», используется термин. ^{[73] [74] Одна из гипотез (в 1989 году) заключалась в том, что в кровообращении} жирафа существовал сифон . ^[75] Но дальнейшие исследования, проведенные в 2004 году, показали, что «гидростатического градиента нет, и, поскольку «падение» жидкости не помогает поднимающейся руке, сифона нет. Высокое артериальное давление жирафа достаточно, чтобы поднять кровь. Расстояние в 2 метра от сердца до головы с достаточным остаточным давлением для перфузии мозга подтверждает эту концепцию». ^{[74] [76]} Однако статья, написанная в 2005 году, призвала к дополнительным исследованиям этой гипотезы:

Принцип сифона не зависит от вида и должен быть основополагающим принципом закрытых систем кровообращения. Поэтому споры вокруг роли принципа сифона лучше всего разрешаются с помощью сравнительного подхода. Важным будет анализ артериального давления у различных животных с длинной шеей и телом, учитывающий филогенетическое родство. Кроме того, экспериментальные исследования, в которых сочетались измерения артериального и венозного давления крови с мозговым кровотоком в условиях различных гравитационных напряжений (различных положений головы), в конечном итоге разрешат это противоречие. ^[77]

Разновидность

Некоторые виды названы в честь сифонов, потому что они полностью или частично напоминают сифоны. Геосифоны – это грибы . В типе Chlorophyta имеются виды водорослей семейства Siphonocladaceae [ ^78] , имеющие трубчатое строение. Ruellia villosa – тропическое растение семейства Acanthaceae , также известное под ботаническим синонимом Siphonacanthus villosus Nees . ^[79]

Геология

В спелеологии сифон или отстойник — это часть пещерного прохода, которая находится под водой и через которую спелеологам приходится нырять, чтобы продвигаться дальше в систему пещер , но это не настоящий сифон.

Реки

Речной сифон возникает, когда часть потока воды проходит под погруженным объектом, например, камнем или стволом дерева. Вода, текущая под препятствием, может быть очень мощной и поэтому может быть очень опасной для каякинга, каньонинга и других водных видов спорта на реке.

Объяснение с помощью уравнения Бернулли

Уравнение Бернулли можно применить к сифону, чтобы определить его идеальную скорость потока и теоретическую максимальную высоту.

Пример сифона с аннотациями для описания уравнения Бернулли.

Пусть поверхность верхнего водоёма будет эталонной отметкой.

Пусть точка A будет начальной точкой сифона, погруженного в верхний резервуар и на глубину - d ниже поверхности верхнего резервуара.

Пусть точка B будет промежуточной высокой точкой сифонной трубки на высоте + h _B над поверхностью верхнего резервуара.

Пусть точка C будет точкой слива сифона на высоте − h _C ниже поверхности верхнего резервуара.

Уравнение Бернулли:

${\displaystyle {v^{2} \over 2}+gy+{P \over \rho }=\mathrm {constant} }$

${\displaystyle v\;}$= скорость жидкости вдоль линии тока

${\displaystyle g\;}$= гравитационное ускорение вниз

${\displaystyle y\;}$= высота в поле силы тяжести

${\displaystyle P\;}$= давление вдоль линии тока

${\displaystyle \rho \;}$= плотность жидкости

Примените уравнение Бернулли к поверхности верхнего резервуара. Технически поверхность падает по мере осушения верхнего резервуара. Однако в этом примере мы предположим, что резервуар бесконечен , а скорость поверхности можно установить равной нулю. Более того, давление как на поверхности, так и в точке выхода C равно атмосферному давлению. Таким образом:

Примените уравнение Бернулли к точке A в начале сифонной трубки в верхнем резервуаре, где P = P _A , v = v _A и y = − d

Примените уравнение Бернулли к точке B в промежуточной высокой точке сифонной трубки, где P = P _B , v = v _B и y = h _B.

Примените уравнение Бернулли к точке C, где опорожняется сифон. Где v знак равно v _C и y знак равно - час _C . Кроме того, давление в точке выхода равно атмосферному давлению. Таким образом:

Скорость

Поскольку сифон представляет собой единую систему, константа во всех четырех уравнениях одинакова. Приравнивая уравнения 1 и 4 друг к другу, получаем:

${\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{C}^{2} \over 2}-gh_{C}+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }}$

Решение для v _C :

Скорость сифона:

${\displaystyle v_{C}={\sqrt {2gh_{C}}}}$

Таким образом, скорость сифона определяется исключительно разницей высот между поверхностью верхнего резервуара и точкой слива. Высота промежуточной высшей точки h _B не влияет на скорость сифона. Однако, поскольку сифон представляет собой единую систему, v _B = v _C и промежуточная верхняя точка ограничивает максимальную скорость. Точку слива нельзя понижать бесконечно для увеличения скорости. Уравнение 3 ограничит скорость, чтобы сохранить положительное давление в промежуточной высокой точке и предотвратить кавитацию . Максимальная скорость может быть рассчитана путем объединения уравнений 1 и 3:

${\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}+{P_{B} \over \rho }}$

Установка P _B = 0 и решение для v _max :

Максимальная скорость сифона:

${\displaystyle v_{\mathrm {max} }={\sqrt {2\left({P_{\mathrm {atm} } \over \rho }-gh_{B}\right)}}}$

Глубина - d начальной точки входа сифона в верхний резервуар не влияет на скорость сифона. Уравнение 2 не предполагает ограничения глубины начальной точки сифона, поскольку давление _PA увеличивается с глубиной d . Оба эти факта означают, что оператор сифона может снимать нижний или верхний слой верхнего резервуара, не влияя на производительность сифона.

Это уравнение для скорости такое же, как и для любого объекта, падающего с высоты h _C . В этом уравнении предполагается, _что PC — атмосферное давление. Если конец сифона находится ниже поверхности, высоту до конца сифона использовать нельзя; скорее следует использовать разницу высот между резервуарами.

Максимальная высота

Хотя в особых обстоятельствах сифоны могут превышать барометрическую высоту жидкости, например, когда жидкость дегазирована, а трубка чистая и гладкая, ^[80] в целом практическую максимальную высоту можно найти следующим образом.

Приравнивая уравнения 1 и 3 друг к другу, получаем:

${\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}+{P_{B} \over \rho }}$

Максимальная высота промежуточной высшей точки возникает, когда она настолько высока, что давление в промежуточной высшей точке равно нулю; в типичных сценариях это приведет к образованию пузырьков в жидкости, и если пузырьки расширятся и заполнят трубу, сифон «сломается». Установка P _B = 0:

${\displaystyle {P_{\mathrm {atm} } \over {\rho }}={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}}$

Решение для h _B :

Общая высота сифона:

${\displaystyle h_{B}={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}-{v_{B}^{2} \over 2g}.}$

Это означает, что высота промежуточной высшей точки ограничена тем, что давление вдоль линии тока всегда больше нуля.

Максимальная высота сифона:

${\displaystyle h_{B\mathrm {,max} }={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}}$

Это максимальная высота, на которой может работать сифон. Заменяющие значения дадут примерно 10 м (33 фута) для воды и, по определению стандартного давления , 0,76 м (760 мм; 30 дюймов) для ртутного столба. Отношение высот (около 13,6) равно отношению плотностей воды и ртути (при данной температуре). Пока это условие выполняется (давление больше нуля), поток на выходе из сифона по-прежнему определяется только перепадом высот между поверхностью источника и выпускным отверстием. Объем жидкости в аппарате не имеет значения, пока напор остается выше нуля в каждой секции. Поскольку давление падает при увеличении скорости, статический сифон (или манометр) может иметь немного большую высоту, чем проточный сифон.

Операция в вакууме

Эксперименты показали, что сифоны могут работать в вакууме за счет сцепления и прочности на разрыв между молекулами при условии, что жидкости чистые и дегазированы, а поверхности очень чистые. ^{[4] [81] [6] [7] [82] [83] [84] [26]}

Оксфордский словарь английского языка

В статье Оксфордского словаря английского языка (OED) , опубликованной в 1911 году, говорится, что сифон работает под атмосферным давлением . Стивен Хьюз из Технологического университета Квинсленда раскритиковал это в статье 2010 года ^[21] , которая широко освещалась в средствах массовой информации. ^{[85] [86] [87] [88]} Редакторы OED заявили: «Среди ученых продолжаются споры о том, какая точка зрения правильна. ... Мы ожидаем, что эти дебаты будут отражены в полностью обновленной статье о сифоне, поскольку будет опубликован позднее в этом году». ^[89] Хьюз продолжал защищать свою точку зрения на сифон в посте в конце сентября в блоге Оксфорда. ^[90] Определение OED 2015 года следующее:

Трубка, используемая для подачи жидкости вверх из резервуара, а затем самостоятельно вниз на более низкий уровень. После того, как жидкость попала в трубку, обычно путем всасывания или погружения, поток продолжается без посторонней помощи.

Британская энциклопедия в настоящее время описывает сифон как:

Сифон, также пишется как сифон, инструмент, обычно в виде трубки, изогнутой в виде двух ножек разной длины, для перекачивания жидкости через край сосуда и подачи ее на более низкий уровень. Сифоны могут быть любого размера. Действие зависит от влияния силы тяжести (а не от разницы атмосферного давления, как иногда думают; сифон будет работать в вакууме) и от сил сцепления, которые не позволяют столбам жидкости в ножках сифона разрушаться под действием силы тяжести. собственный вес. На уровне моря воду можно поднять с помощью сифона чуть более чем на 10 метров (33 фута). В гражданском строительстве трубопроводы, называемые обратными сифонами, используются для отвода сточных вод или ливневых вод под ручьи, выемки шоссе или другие углубления в земле. В перевернутом сифоне жидкость полностью заполняет трубу и течет под давлением, в отличие от самотечного течения в открытом канале, которое происходит в большинстве бытовых или ливневых канализационных коллекторов. ^[91]

Стандарты в технике или промышленности

Американское общество инженеров-механиков (ASME) публикует следующий три-гармонизированный стандарт:

• ASSE 1002/ASME A112.1002/CSA B125.12 «Требования к характеристикам антисифонных заправочных клапанов (шаровых кранов) для сливных бачков гравитационных унитазов»

Смотрите также

• Физический портал
• Технологический портал

• 1992 г. Взрывы в Гвадалахаре для получения подробной информации об аварии, в которой водопроводный метод ( ловушка , также известная как перевернутый сифон ) был частично ответственен за взрывы газа.
• Сообщающиеся сосуды
• Концентрический сифон
• Гравитационная подача
• Покачивающийся сифон
• банка Маро
• Чаша Пифагора
• Уровень воды (устройство)

Рекомендации

• Калверт, Джеймс Б. (11 мая 2000 г.). «Гидростатика» . Проверено 8 октября 2019 г.

1. Раметт, Джошуа Дж.; Раметт, Ричард В. (июль 2011 г.). «Рассмотрены сифонические концепции: сифон углекислого газа и сифоны в вакууме». Физическое образование . 46 (4): 412–416. Бибкод : 2011PhyEd..46..412R. дои : 10.1088/0031-9120/46/4/006. S2CID  120194913.
2. Ричерт, Алекс; Биндер, П.-М. (февраль 2011 г.). «Возвращение к сифонам» (PDF) . Учитель физики . 49 (2): 78. Бибкод : 2011PhTea..49...78R. дои : 10.1119/1.3543576 .Пресс-релиз к статье: «Дергаем цепь по искам о сифоне» (Пресс-релиз). Гавайский университет в Хило. 19 января 2011 г.
3. МакГуайр, Адам (2 августа 2012 г.). «По физике сифонов» (PDF) . Национальный научный фонд. Архивировано из оригинала (PDF) 5 мая 2014 г. Проверено 5 мая 2014 г.
4. Minor, Ральф Смит (1914). «Может ли сифон течь в вакууме! Экспериментальные ответы» (PDF) . Школьная наука и математика . 14 (2): 152–155. doi :10.1111/j.1949-8594.1914.tb16014.x.
5. Боутрайт, А.; Хьюз, С.; Барри, Дж. (2 декабря 2015 г.). «Предел высоты сифона». Научные отчеты . 5 (1): 16790. Бибкод : 2015NatSR...516790B. дои : 10.1038/srep16790. ISSN  2045-2322. ПМЦ 4667279 . ПМИД  26628323. 
6. Михелс, Джон (1902). Наука. Американская ассоциация содействия развитию науки. п. 152 . Проверено 15 апреля 2018 г. - из Интернет-архива. Сифон Дуэйна 1902 года.
7. Nokes, MC (1948). «Вакуумные сифоны» (PDF) . Обзор школьной науки . 29 : 233. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июля 2013 г.
8. Вода, текущая вверх на 24 метра. Не волшебство, а просто наука! Гравитация жизни (часть 3) на YouTube
9. Удивительный эксперимент с цепочкой из бус в замедленной съемке | Медленно Мо | Земля отключена на YouTube .
10. Заливка и откачка газа на YouTube.
11. Шибер, Франк (28 марта 2011 г.). «Виноделие в Древнем Египте: 2000 лет до Рождества Христова» (PDF) . Проверено 6 марта 2023 г.
12. Ашер, Эбботт Пейсон (15 апреля 2018 г.). История механических изобретений. Курьерская корпорация. п. 93. ИСБН 978-0-4862-5593-4.
13. Дора П. Крауч (1993). «Водохозяйство в древнегреческих городах». Издательство Оксфордского университета, США . п. 119. ISBN 0-19-507280-4 . 
14. "ПНЕВМАТИКА ГЕРОЯ АЛЕКСАНДРИИ". Химедо.нет . Архивировано из оригинала 7 февраля 2020 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
15. Бану Муса (1979). Книга гениальных устройств (Китаб аль-Хиял) . Перевод Дональда Рутледжа Хилла . Спрингер . п. 21. ISBN 978-90-277-0833-5.
16. «История науки и техники в исламе». www.history-science-technology.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
17. Калверт (2000). «Максимальная высота, на которую можно поднять воду всасывающим насосом».
18. «Физик QUT исправляет Оксфордский словарь английского языка (с видео)» . физ.орг .
19. «Аналогия со шкивом подходит не для каждого сифона».
20. Смит, Эндрю М. (1991). «Отрицательное давление, создаваемое присосками осьминогов: исследование прочности воды на растяжение в природе». Журнал экспериментальной биологии . 157 (1): 257–271. дои : 10.1242/jeb.157.1.257.
21. Хьюз, Стивен В. (март 2010 г.). «Практический пример работы сифона». Физическое образование . Издательство ИОП. 45 (2): 162–166. Бибкод : 2010PhyEd..45..162H. дои : 10.1088/0031-9120/45/2/006. ISSN  0031-9120. S2CID  122367587.
22. Боутрайт, А.; Хьюз, С.; Барри, Дж. (2 декабря 2015 г.). «Предел высоты сифона». Природа . 5 : 16790. Бибкод : 2015NatSR...516790B. дои : 10.1038/srep16790. ПМЦ 4667279 . ПМИД  26628323. 
23. Калверт (2000). «Сифон».
24. Поттер, А.; Барнс, FH (1 сентября 1971 г.). «Сифон». Физическое образование . 6 (5): 362–366. Бибкод : 1971PhyEd...6..362P. дои : 10.1088/0031-9120/6/5/005 .
25. Хьюз, Стивен В. (май 2011 г.). «Секретный сифон» (PDF) . Физическое образование . 46 (3): 298–302. Бибкод : 2011PhyEd..46..298H. дои : 10.1088/0031-9120/46/3/007. S2CID  122754077.
26. Боутрайт, Адриан Л. (2011). «Может ли сифон работать в вакууме?». Журнал химического образования . 88 (11): 1547–1550. Бибкод : 2011JChEd..88.1547B. дои : 10.1021/ed2001818.
27. Дули, Джон В. (2011). «Сифонирование — серьезная тема». Физика сегодня . 64 (8): 10. Бибкод :2011ФТ....64ч..10Д. дои : 10.1063/PT.3.1199 .
28. Хьюз, Стивен; Гурунг, Сом (22 апреля 2014 г.). «Исследование границы между сифоном и барометром в гипобарической камере». Научные отчеты . 4 (1): 4741. Бибкод : 2014NatSR...4E4741H. дои : 10.1038/srep04741 . ПМЦ 3994459 . ПМИД  24751967. 
29. «Паспорт безопасности материала для неэтилированного бензина среднего класса» (PDF) . 28 ноября 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2008 г.
30. «Сифоны для систем очистки геосифонов» . sti.srs.gov . Проверено 11 мая 2010 г.
31. Ян, Синь; Чжан, Вэй; Ху, Чжи; Ван, Лей; Ю, Ицян; Сяо, Даньцян (01 декабря 2022 г.). «Экспериментальное исследование противозасоряющей способности сифонного дренажа и инженерное применение». Почвы и фундаменты . 62 (6): 101221. Бибкод : 2022SoFou..6201221Y. дои : 10.1016/j.sandf.2022.101221 . ISSN  0038-0806. S2CID  252793321.
32. Администратор, WJ Group (7 июля 2015 г.). «Сифонный слив». Группа компаний WJ . Проверено 10 февраля 2023 г.
33. «Сифонные системы водоотвода с крыши» . www.ntotank.com . Проверено 10 февраля 2023 г.
34. Смит, WB (29 июля 2005 г.). «Сифонный водосброс – автоматический запуск сифонов». www.vl-irrigation.org . Архивировано из оригинала 2 июня 2015 г. Проверено 15 апреля 2018 г.
35. "Идет заполнение озера Бонни" . www.abc.net.au. _ 26 ноября 2008 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
36. "Hm16036e.vp" (PDF) . Проверено 19 ноября 2021 г.
37. Рао, Говинда Н.С. (2008). «Дизайн спирального сифона» (PDF) . Журнал Индийского института науки . 88 (3): 915–930.
38. «Сифон против промывки клапана — Информационный центр» . Проверено 15 апреля 2018 г.
39. «Усовершенствование сифонных насосов» . Проверено 15 апреля 2018 г.
40. "Сифонный насос с дозирующей камерой" . Проверено 15 апреля 2018 г.
41. "Aqua Clopedia, иллюстрированный словарь римских акведуков: Сифоны" . www.romanaqueducts.info . Проверено 15 апреля 2018 г.
42. "Перевернутый сифон римских акведуков - Форум голой науки" . www.thenakedscientists.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
43. «Сифоны в римских (и эллинистических) акведуках» . www.romanaqueducts.info . Проверено 15 апреля 2018 г.
44. Картер, Тим (26 января 2017 г.). «Запах канализации в ванной — спросите строителя» . Проверено 15 апреля 2018 г.
45. «Сливные ловушки защищают от канализационного газа» . Проверено 15 апреля 2018 г.
46. «Как найти предмет, упавший в слив раковины - плотник Конкорда» . www.aconcordcarpenter.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
47. «Перевернутый сифон. Подавленная канализация. Расчеты конструкции». www.lmnoeng.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
48. «Административный кодекс Аризоны, Раздел 18. Качество окружающей среды, Глава 9. Департамент качества окружающей среды, Статья 3. Разрешения на защиту водоносного горизонта, Часть E. Общие разрешения типа 4» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2014 г. Проверено 5 января 2015 г.
49. Пу, Винг. «Что такое обратный сифонаж и его причины? - Часто задаваемые вопросы по воде. Предотвращение обратного потока - Вода / сточные воды - Операционный центр». www.grimsby.ca . Архивировано из оригинала 15 апреля 2018 г. Проверено 15 апреля 2018 г.
50. «Питьевая вода - обратный поток и обратный сифон». Water.ky.gov . Проверено 15 апреля 2018 г.
51. «Информация об общественных системах водоснабжения» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США . 21 сентября 2015 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
52. «Туалетология ... Антисифон требует объяснения» . www.toiletology.com. Архивировано из оригинала 10 мая 2010 года . Проверено 11 мая 2010 г.
53. "Туалет Blue Loo - Милая Лу" . www.cleaningshop.com.au . МОЮЩИЕ СРЕДСТВА СУПЕРМАРКЕТ® Пти, ООО . Проверено 15 апреля 2018 г.
54. Токоро, Кадзухико; Тиба, Ясухиро; Абэ, Хироюки; Танака, Нобумаса; Яматаки, Акира; Канно, Хироши (1994). «Значение антисифонных устройств в лечении гидроцефалии у детей». Нервная система ребенка . 10 (4): 236–8. дои : 10.1007/BF00301160. PMID  7923233. S2CID  25326092.
55. «Гидроцефалия и шунты у человека с расщелиной позвоночника» (пресс-релиз). Американская ассоциация Spina Bifida. 2009. Архивировано из оригинала 28 июля 2011 года . Проверено 9 ноября 2010 г.
56. Земак, Горан; Ромнер, Бертиль (1999). «Семилетний клинический опыт использования программируемого клапана Codman Hakim: ретроспективное исследование 583 пациентов». Нейрохирургический фокус . 7 (4): 941–8. дои : 10.3171/foc.1999.7.4.11 .
57. «Часть 4: Структурный проект». Архивировано из оригинала 28 мая 2004 года.
58. "Сифон манометра - 910.15 - WIKA Австралия" . www.wika.com.au. _ Проверено 15 апреля 2018 г.
59. "Сифонный барометр" . Архивировано из оригинала 05 января 2015 г. Проверено 5 января 2015 г.
60. "СИФОННЫЙ ДОМОМЕР" . www.axinum.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
61. [1] ^{[ неработающая ссылка ]}
62. «Гравитация или сифон? - Советы Дона по аэрографу» . сайты.google.com . Проверено 15 апреля 2018 г.
63. Гринслейд, Томас Б. младший «Фонтан героя». физика.kenyon.edu . Проверено 15 апреля 2018 г.
64. Агбанлог, Рохелио Кабанг; Чен, Гуанмин (2014). «Мини-ГЭС с источником оборотной воды». Ин Гуань, Ю.; Ляо, Х. (ред.). Материалы научно-исследовательской конференции по промышленной и системной инженерии 2014 года . Институт промышленных и системных инженеров. стр. 2145 и далее.
65. Кезерашвили, Р. Я.; Сапожников, А. (2003). «Волшебный фонтан». arXiv : физика/0310039v1 .
66. «Проектирование и контракт Siphonic Solutions» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 февраля 2015 г. Проверено 5 января 2015 г.
67. «Сифонический дренаж с помощью Fullflow: объяснение сифонизма» . Архивировано из оригинала 05 января 2015 г. Проверено 5 января 2015 г.
68. «Сифонический водоотвод с крыши выходит сверху». Архивировано из оригинала 10 сентября 2014 г. Проверено 5 января 2015 г.
69. «Физические демонстрации - Свет» . sprott.Physics.wisc.edu . Проверено 11 мая 2010 г.
70. Школа химии. Chem.soton.ac.uk. Проверено 11 ноября 2010 г.
71. Демонстрация бескамерного сифона и Die Swell, Кристофер В. МакМинн и Гарет Х. МакКинли, 26 сентября 2004 г.
72. "Сифон". Grow.arizona.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2004 г. Проверено 11 ноября 2010 г.
73. Гисольф, Яннеке (25 февраля 2005 г.). «Влияние гравитации на кровообращение» (PDF) . Постуральные изменения у человека: влияние силы тяжести на кровообращение (PDF) (Диссертация). Университет Амстердама. стр. 7–12. hdl : 11245/1.239323. ISBN 978-90-901905-70. OCLC  6893398534.
74. Гисольф, Дж.; Гисольф, А.; ван Лисхаут, Джей-Джей; Каремакер, Дж. М. (2005). «Спор о сифоне: интеграция концепций и мозга как преграды». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . Американское физиологическое общество. 289 (2): R627–R629. дои : 10.1152/ajpregu.00709.2004. ISSN  0363-6119. ПМИД  16014453.
75. Хикс, JW; Бадир, HS (февраль 1989 г.). «Сифонный механизм в складных трубках: применение для циркуляции головы жирафа». Являюсь. Дж. Физиол . 256 (2 ч. 2): R567–71. дои :10.1152/ajpregu.1989.256.2.R567. ПМИД  2916707.
76. Сеймур, RS; Йохансен, К. (1987). «Кровь течет вверх и вниз: облегчает ли сифон кровообращение над сердцем?». Комп Биохим Физиол А. 88 (2): 167–70. дои : 10.1016/0300-9629(87)90465-8. ПМИД  2890463.
77. Хикс, Джеймс В.; Мунис, Джеймс Р. (2005). «Контрапункт против сифона: мозг не обязательно должен быть «сбивающим с толку»". Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . Американское физиологическое общество. 289 (2): R629–R632. doi : 10.1152/ajpregu.00810.2004. ISSN  0363-6119. PMID  16014454.
78. "Флора да Баия: Сифонокладовые" . Проверено 19 ноября 2021 г.
79. "Флора бразильская, CRIA" . Florabrasiliensis.cria.org.br . Проверено 15 апреля 2018 г.
80. «Вода течет вверх на 24 метра. Не магия, а просто наука! Гравитация жизни (Часть 3)» . YouTube . Проверено 30 ноября 2014 г.
81. «Сифон в вакууме - Периодическая таблица видео» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. – на сайте www.youtube.com.
82. «Концепции сифона». Архивировано из оригинала 9 октября 2012 г.
83. Ганси, С; Егоренков, В (2008). «Историко-педагогические аспекты скромного инструмента». Европейский журнал физики . 29 (3): 421–430. Бибкод : 2008EJPh...29..421G. дои : 10.1088/0143-0807/29/3/003. S2CID  119563871.
84. Ноукс MC (1948). «Вакуумные сифоны». Являюсь. Дж. Физ . 16 : 254.
85. Физик QUT исправляет Оксфордский словарь английского языка
86. «Новости AOL, Оксфордский словарь английского языка в течение 99 лет ошибался» . Архивировано из оригинала 14 мая 2010 г.
87. Каллигерос, Марисса (10 мая 2010 г.). «Ошибка словаря остается незамеченной 99 лет». Брисбен Таймс .
88. Малкин, Бонни (11 мая 2010 г.). «Физик обнаружил ошибку 99-летней давности в Оксфордском словаре английского языка». «Дейли телеграф» (Лондон) .
89. «Об определении слова «сифон»» . ОУПблог . Издательство Оксфордского университета . 21 мая 2010 года . Проверено 23 мая 2010 г.
90. «Об определении слова «сифон» - OUPblog» . 21 мая 2010 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
91. "Сифон - инструмент" . Проверено 15 апреля 2018 г.

Внешние ссылки

• «Сифон в вакууме». Периодическая таблица видео . Университет Ноттингема .
• xkcd на сифоне