Сифон

Устройство, в котором используется поток жидкости по трубкам.

Принцип сифона

В сифоне с летящей каплей поверхностное натяжение растягивает поток жидкости на отдельные капли внутри герметичной камеры, заполненной воздухом, не давая жидкости, идущей вниз, контактировать с жидкостью, идущей вверх, и тем самым не давая прочности жидкости на разрыв тянуть жидкость вверх. Это также показывает, что эффект атмосферного давления на входе не отменяется равным атмосферным давлением на выходе.

Сифон (от древнегреческого σίφων ( síphōn )  'труба, трубка'; также пишется как syphon ) — это любое из множества устройств, которые обеспечивают поток жидкостей через трубки. 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 приводимая в действие падением жидкости, когда она течет вниз по трубке под действием силы тяжести , а затем разряжается на уровне ниже поверхности резервуара, из которого она вышла.

Существуют две ведущие теории о том, как сифоны заставляют жидкость течь вверх, против силы тяжести, без перекачивания и под действием только силы тяжести. Традиционная теория на протяжении столетий заключалась в том, что гравитация, тянущая жидкость вниз на выходной стороне сифона, приводила к пониженному давлению в верхней части сифона. Затем атмосферное давление могло 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 когезионной натяжения работы сифона, где жидкость протягивается через сифон способом, похожим на цепной фонтан . ^[9] Не обязательно, чтобы одна из теорий была правильной, скорее обе теории могут быть правильными в различных обстоятельствах давления окружающей среды. Атмосферное давление с теорией гравитации не может объяснить сифоны в вакууме, где нет значительного атмосферного давления. Но когезионная сила натяжения с теорией гравитации не может объяснить сифоны газа CO2, _[ ^10] сифоны, работающие несмотря на пузырьки, и сифон летящей капли, где газы не оказывают значительных тяговых сил, а жидкости, не находящиеся в контакте, не могут оказывать когезионной силы натяжения.

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

История

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

На египетских рельефах, датируемых 1500 годом до нашей эры, изображены сифоны, используемые для извлечения жидкостей из больших сосудов для хранения. ^{[11] [12]}

Вещественным доказательством использования сифонов греками является кубок правосудия Пифагора на Самосе в VI веке до нашей эры и использование их греческими инженерами в III веке до нашей эры в Пергаме . ^{[12] [13]}

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

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

Сифоны были изучены далее в 17 веке в контексте всасывающих насосов (и недавно разработанных вакуумных насосов ), в частности, с целью понимания максимальной высоты насосов (и сифонов) и кажущегося вакуума наверху ранних барометров . Первоначально это было объяснено Галилео Галилеем с помощью теории horror vacui («природа ненавидит пустоту»), которая восходит к Аристотелю и которую Галилей переформулировал как resintenza del vacuo , но впоследствии это было опровергнуто более поздними исследователями, в частности Эванджелистой Торричелли и Блезом Паскалем ^[17]  – см. барометр: история .

Теория

Практический сифон, работающий при типичных атмосферных давлениях и высотах труб, работает, потому что гравитация, тянущая вниз более высокий столб жидкости, оставляет пониженное давление в верхней части сифона (формально, гидростатическое давление, когда жидкость не движется). Это пониженное давление в верхней части означает, что гравитация, тянущая вниз более короткий столб жидкости, недостаточна для удержания жидкости 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 верх, а затем, с помощью гравитации и более высокого столба жидкости, вниз в зону более высокого давления на выходе. ^{[2] [18]}

Цепная модель, в которой секция, обозначенная «B», тянет вниз, поскольку она тяжелее секции «A», является несовершенной, но полезной аналогией работы сифона.

Цепная модель — полезная, но не совсем точная концептуальная модель сифона. Цепная модель помогает понять, как сифон может заставить жидкость течь вверх, приводимая в действие только направленной вниз силой тяжести. Сифон иногда можно представить как цепь, висящую на шкиве, один конец которой навален на более высокую поверхность, чем другой. Поскольку длина цепи на более короткой стороне легче, чем длина цепи на более высокой стороне, более тяжелая цепь на более высокой стороне будет двигаться вниз и тянуть вверх цепь на более легкой стороне. Подобно сифону, цепная модель, очевидно, просто приводится в действие силой тяжести, действующей на более тяжелую сторону, и явно нет нарушения закона сохранения энергии, потому что цепь в конечном итоге просто движется из более высокого положения в более низкое, как это делает жидкость в сифоне.

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

Существует ряд проблем с цепной моделью сифона, и понимание этих различий помогает объяснить фактическую работу сифонов. Во-первых, в отличие от цепной модели сифона, на самом деле важен не вес на более высокой стороне по сравнению с более короткой стороной. Скорее, разница в высоте от поверхностей резервуара до верха сифона определяет баланс давления . Например, если трубка от верхнего резервуара до верха сифона имеет гораздо больший диаметр, чем более высокая часть трубки от нижнего резервуара до верха сифона, более короткая верхняя часть сифона может иметь гораздо больший вес жидкости в ней, и все же более легкий объем жидкости в нижней трубке может тянуть жидкость вверх по более толстой верхней трубке, и сифон может нормально функционировать. ^[19]

Другое отличие заключается в том, что в большинстве практических обстоятельств растворенные газы, давление паров и (иногда) отсутствие сцепления со стенками трубки, в совокупности делают прочность на разрыв внутри жидкости неэффективной для сифонирования. Таким образом, в отличие от цепи, которая имеет значительную прочность на разрыв, жидкости обычно имеют небольшую прочность на разрыв в типичных условиях сифона, и поэтому жидкость на восходящей стороне не может быть вытянута так, как цепь вытягивается на восходящей стороне. ^{[7] [18]}

Иногда неправильно понимают сифоны, думая, что они полагаются на прочность на разрыв жидкости, чтобы вытягивать жидкость вверх и через подъем. ^{[2] [18]} Хотя было обнаружено, что вода имеет значительную прочность на разрыв в некоторых экспериментах (например, с z-трубкой ^[20] ), и сифоны в вакууме полагаются на такую ​​когезию, можно легко продемонстрировать, что обычным сифонам вообще не нужна прочность на разрыв жидкости для функционирования. ^{[7] [2] [18]} Более того, поскольку обычные сифоны работают при положительном давлении по всему сифону, прочность на разрыв жидкости не вносит никакого вклада, потому что молекулы на самом деле отталкиваются друг от друга, чтобы противостоять давлению, а не тянут друг друга. ^[7]

Сифон с воздушным запуском. Когда столб жидкости опускается из C вниз в D, жидкость в верхнем резервуаре перетекает в B и через верх. ^{[2] [18]} Для подъема жидкости наверх не требуется предела прочности на разрыв.

Для демонстрации можно заткнуть нижнюю длинную ножку обычного сифона снизу и заполнить ее почти до самого верха жидкостью, как показано на рисунке, оставив верхнюю часть и более короткую верхнюю ножку полностью сухими и содержащими только воздух. Когда пробка удалена и жидкость в нижней длинной ножке падает, жидкость в верхнем резервуаре обычно выметает пузырь воздуха вниз и из трубки. Затем аппарат продолжает работать как обычный сифон. Поскольку в начале этого эксперимента нет контакта между жидкостью по обе стороны сифона, между молекулами жидкости не может быть сцепления, чтобы вытянуть жидкость через подъем. Сторонники теории прочности жидкости на разрыв предположили, что сифон с воздушным запуском демонстрирует эффект только при запуске сифона, но что ситуация меняется после того, как пузырь выметается и сифон достигает устойчивого потока. Но аналогичный эффект можно увидеть в сифоне с летящей каплей (см. выше). Сифон с летящими каплями работает непрерывно, не создавая силы натяжения жидкости и не вытягивая ее вверх.

Демонстрация сифонирования тропического фруктового пунша с помощью сифона с летящими каплями

Сифон в видеодемонстрации работал стабильно более 28 минут, пока верхний резервуар не опустел. Еще одна простая демонстрация того, что прочность на разрыв жидкости не нужна в сифоне, заключается в том, чтобы просто ввести пузырек в сифон во время работы. Пузырь может быть достаточно большим, чтобы полностью разъединить жидкости в трубке до и после пузыря, побеждая любую прочность на разрыв жидкости, и все же, если пузырек не слишком большой, сифон продолжит работать с небольшими изменениями, выметая пузырек.

Другое распространенное заблуждение о сифонах заключается в том, что поскольку атмосферное давление практически одинаково на входе и выходе, атмосферное давление нейтрализуется, и, следовательно, атмосферное давление не может толкать жидкость вверх по сифону. Но равные и противоположные силы могут не полностью нейтрализоваться, если есть промежуточная сила, которая противодействует некоторым или всем силам. В сифоне атмосферное давление на входе и выходе уменьшается силой тяжести, тянущей вниз жидкость в каждой трубке, но давление на нижней стороне уменьшается больше из-за более высокого столба жидкости на нижней стороне. По сути, атмосферное давление, поднимающееся по нижней стороне, не полностью «достигает» вершины, чтобы нейтрализовать все атмосферное давление, толкающее вверх верхнюю сторону. Этот эффект можно легче увидеть на примере двух тележек, толкаемых вверх по противоположным сторонам холма. Как показано на схеме, даже если кажется, что толчок человека слева полностью нейтрализуется равным и противоположным толчком человека справа, кажущийся нейтрализованным толчок человека слева по-прежнему является источником силы, толкающей левую тележку вверх.

Пример равных и противоположных сил, которые, казалось бы, нейтрализуют друг друга, однако, казалось бы, нейтрализующая сила слева все равно толкает объект вверх, подобно тому, как равное и противоположное атмосферное давление на каждом конце сифона, которое, казалось бы, нейтрализует друг друга, оставляет атмосферное давление все еще способным толкать жидкость вверх. (Вагоны не связаны друг с другом, поэтому они 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 происходит из-за натяжения, наиболее существенного при транспирационной тяге в ксилеме сосудистых растений . ^{[2] [21]} Вода и другие жидкости могут показаться не имеющими прочности на разрыв, потому что, когда горсть зачерпывают и тянут, жидкости сужаются и легко разделяются. Но прочность жидкости на разрыв в сифоне возможна, когда жидкость прилипает к стенкам трубки и тем самым сопротивляется сужению. Любое загрязнение на стенках трубки, такое как жир или пузырьки воздуха, или другие незначительные воздействия, такие как турбулентность или вибрация, могут привести к тому, что жидкость оторвется от стенок и потеряет всю прочность на разрыв.

Более подробно можно рассмотреть, как гидростатическое давление изменяется через статический сифон, рассматривая по очереди вертикальную трубку из верхнего резервуара, вертикальную трубку из нижнего резервуара и горизонтальную трубку, соединяющую их (предполагая U-образную форму). На уровне жидкости в верхнем резервуаре жидкость находится под атмосферным давлением, и по мере того, как вы поднимаетесь по сифону, гидростатическое давление уменьшается (при вертикальном изменении давления ), поскольку вес атмосферного давления, толкающего воду вверх, уравновешивается столбом воды в сифоне, толкающим вниз (пока не будет достигнута максимальная высота барометра/сифона, в этой точке жидкость не может быть протолкнута выше) – гидростатическое давление в верхней части трубки тогда ниже атмосферного давления на величину, пропорциональную высоте трубки. Проведение того же анализа для трубки, поднимающейся из нижнего резервуара, дает давление в верхней части этой (вертикальной) трубки; это давление ниже, потому что трубка длиннее (больше воды давит вниз), и требует, чтобы нижний резервуар был ниже верхнего резервуара, или, в более общем смысле, чтобы выпускное отверстие было просто ниже поверхности верхнего резервуара. Рассматривая теперь горизонтальную трубку, соединяющую их, можно увидеть, что давление в верхней части трубки от верхнего резервуара выше (так как поднимается меньше воды), в то время как давление в верхней части трубки от нижнего резервуара ниже (так как поднимается больше воды), и поскольку жидкости перемещаются от высокого давления к низкому, жидкость течет по горизонтальной трубке из верхнего бассейна в нижний бассейн. Жидкость находится под положительным давлением (сжатием) по всей трубке, а не под растяжением.

Уравнение Бернулли в научной литературе рассматривается как справедливое приближение к работе сифона. В неидеальных жидкостях сжимаемость, прочность на разрыв и другие характеристики рабочей жидкости (или нескольких жидкостей) усложняют уравнение Бернулли.

После запуска сифону не требуется дополнительная энергия для поддержания потока жидкости вверх и из резервуара. Сифон будет вытягивать жидкость из резервуара до тех пор, пока уровень не опустится ниже впускного отверстия, позволяя воздуху или другому окружающему газу разорвать сифон, или пока выходное отверстие сифона не сравняется с уровнем резервуара, в зависимости от того, что наступит раньше.

В дополнение к атмосферному давлению , плотности жидкости и силе тяжести , максимальная высота гребня в практических сифонах ограничена 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 зарождать пузырьки; при отсутствии примесей или шероховатых поверхностей, которые могли бы служить легкими местами зарождения пузырьков, сифоны могут временно превышать свою стандартную максимальную высоту в течение длительного времени, необходимого для зарождения пузырьков. Один сифон дегазированной воды был продемонстрирован на высоте 24  м (79 футов ) в течение длительного периода времени ^[8] , а другие контролируемые эксперименты — на высоте 10  м (33 фута ). ^[22] Для воды при стандартном атмосферном давлении максимальная высота сифона составляет приблизительно 10 м (33 фута); для ртути это 76 см (30 дюймов ), что является определением стандартного давления. Это равно 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 (пренебрегая давлением пара и скоростью 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 выводу: «Сила тяжести, действующая на столб жидкости в нисходящей трубе, за вычетом силы тяжести в восходящей трубе заставляет жидкость двигаться. Жидкость, таким образом, находится в напряжении и выдерживает продольную деформацию, которая при отсутствии возмущающих факторов недостаточна для разрыва столба жидкости». Но для сифонов с небольшой высотой всасывания, работающих при атмосферном давлении, он писал: «... натяжение столба жидкости нейтрализуется и обращается вспять сжимающим воздействием атмосферы на противоположные концы столба жидкости». ^[7]

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

Гравитация , давление и молекулярная когезия были в центре внимания работы Хьюза в 2010 году в Технологическом университете Квинсленда . Он использовал сифоны при давлении воздуха, и его вывод был следующим: «Поток воды из нижней части сифона зависит от разницы в высоте между притоком и оттоком, и, следовательно, не может зависеть от атмосферного давления…» ^[21] Хьюз провел дальнейшую работу по сифонам при давлении воздуха в 2011 году и пришел к выводу: «Описанные выше эксперименты показывают, что обычные сифоны при атмосферном давлении работают за счет гравитации, 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 для работы сифона не требуется молекулярное сцепление, но: «Основное объяснение действия сифона заключается в том, что после заполнения трубки поток инициируется большей силой тяжести жидкости на длинной стороне по сравнению с короткой стороной. Это создает перепад давления по всей трубке сифона, в том же смысле, в каком «сосание» соломинки снижает давление по всей ее длине до точки всасывания. Окружающее атмосферное давление в точке всасывания реагирует на пониженное давление, заставляя жидкость подниматься вверх, поддерживая поток, как в постоянно всасываемой соломинке в молочном коктейле». ^[1]

В 2011 году Ричерт и Биндер (из Гавайского университета ) снова исследовали сифон и пришли к выводу, что для работы сифона не требуется молекулярная когезия, а требуется гравитация и перепад давления, написав: «Поскольку жидкость, изначально заправленная в длинную ножку сифона, устремляется вниз под действием силы тяжести, она оставляет после себя частичный вакуум, который позволяет давлению на входную точку более высокого контейнера проталкивать жидкость вверх по ножке с этой стороны» ^{[2] .}

Исследовательская группа Боутрайт, Паттик и Лисенс, все из Ноттингемского университета , также в 2011 году успешно запустила сифон в условиях высокого вакуума . Они написали: «Широко распространено мнение, что сифон в основном приводится в действие силой атмосферного давления. Описан эксперимент, который показывает, что сифон может функционировать даже в условиях высокого вакуума. Показано, что молекулярная когезия и гравитация являются факторами, способствующими работе сифона; наличие положительного атмосферного давления не требуется». ^[26]

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

Исследователь из Университета штата Гумбольдт , А. Макгуайр, исследовал поток в сифонах в 2012 году. Используя передовой многофункциональный программный пакет моделирования общего назначения LS-DYNA, он исследовал инициализацию давления, поток и распространение давления внутри сифона. Он пришел к выводу: «Давление, гравитация и молекулярная когезия могут быть движущими силами в работе сифонов». ^[3]

В 2014 году Хьюз и Гурунг (из Квинслендского технологического университета) запустили водяной сифон при различном давлении воздуха в диапазоне от уровня моря до 11,9 км (39 000  футов ) высоты. Они отметили: «Поток оставался более или менее постоянным во время подъема, указывая на то, что поток сифона не зависит от окружающего барометрического давления ». Они использовали уравнение Бернулли и уравнение Пуазейля для изучения перепадов давления и потока жидкости внутри сифона. Их вывод был следующим: «Из вышеприведенного анализа следует, что должна быть прямая когезионная связь между молекулами воды, втекающими в сифон и вытекающими из него. Это справедливо при всех атмосферных давлениях, при которых давление в вершине сифона выше давления паров воды, за исключением ионных жидкостей». ^[28]

Практические требования

В качестве сифона можно использовать обычную трубку. Для запуска потока жидкости и заполнения сифона необходимо использовать внешний насос (в домашних условиях это часто делается человеком, вдыхающим через трубку, пока она не наполнится жидкостью; это может представлять опасность для пользователя, в зависимости от перекачиваемой жидкости). Иногда это делается с помощью любого герметичного шланга для перекачивания бензина из бензобака автомобиля во внешний бак. (Перекачка бензина ртом часто приводит к случайному проглатыванию бензина или его попаданию в легкие, что может привести к смерти или повреждению легких. ^[29] ) Если трубка заполнена жидкостью до того, как часть трубки будет поднята выше промежуточной высокой точки, и принимаются меры по поддержанию затопленной трубки во время ее подъема, насос не требуется. Устройства, продаваемые как сифоны, часто поставляются с сифонным насосом для запуска процесса перекачки.

В некоторых приложениях может быть полезно использовать сифонную трубку, которая не намного больше необходимого. Использование трубопровода слишком большого диаметра и последующее дросселирование потока с помощью клапанов или сужающих трубопроводов, по-видимому, усиливает эффект ранее упомянутых опасений по поводу газов или паров, собирающихся в гребне, которые служат для нарушения вакуума. Если вакуум уменьшается слишком сильно, эффект сифона может быть утрачен. Уменьшение размера используемой трубы ближе к требованиям, по-видимому, уменьшает этот эффект и создает более функциональный сифон, который не требует постоянной повторной заливки и перезапуска. В этом отношении, когда требуется сопоставить поток в контейнер с потоком из указанного контейнера (например, для поддержания постоянного уровня в пруду, питаемом ручьем), было бы предпочтительнее использовать две или три меньшие отдельные параллельные трубы, которые можно запускать по мере необходимости, а не пытаться использовать одну большую трубу и пытаться ее дросселировать.

Автоматический прерывистый сифон

Сифоны иногда используются как автоматические машины в ситуациях, когда желательно превратить непрерывный струйный поток или нерегулярный небольшой поток в большой объем потока. Типичным примером этого является общественный туалет с писсуарами, регулярно смываемыми автоматическим сифоном в небольшом резервуаре для воды наверху. Когда контейнер заполняется, вся хранящаяся жидкость высвобождается, образуя большой объем потока, который затем сбрасывается и снова заполняется. Один из способов сделать это прерывистое действие включает в себя сложные механизмы, такие как поплавки, цепи, рычаги и клапаны, но они могут корродировать, изнашиваться или застревать со временем. Альтернативный метод — с жесткими трубами и камерами, использующими только саму воду в сифоне в качестве рабочего механизма.

Сифон, используемый в автоматическом необслуживаемом устройстве, должен иметь возможность надежно функционировать без сбоев. Это отличается от обычных демонстрационных самозапускающихся сифонов тем, что существуют способы, при которых сифон может выйти из строя, и для возврата к нормальной работе с потоком жидкости требуется ручное вмешательство. Видеодемонстрацию самозапускающегося сифона можно найти здесь, любезно предоставлено The Curiosity Show .

Наиболее распространенной ошибкой является медленное капание жидкости, соответствующее скорости наполнения контейнера, и сифон переходит в нежелательное устойчивое состояние. Предотвращение капания обычно включает пневматические принципы для улавливания одного или нескольких крупных пузырьков воздуха в различных трубах, которые герметизируются водяными ловушками. Этот метод может не сработать, если он не может 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 тянет жидкость вверх по трубопроводу 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 жидкостного уплотнения в нижних частях механизма.

Третья проблема возникает, когда нижний конец жидкостного затвора представляет собой просто U-образный изгиб в выпускной трубе. Во время интенсивного опорожнения кинетическое движение жидкости из выпускного отверстия может вытолкнуть слишком много жидкости, что приведет к потере объема уплотнения в выпускном отверстии и потере захваченного воздушного пузыря для поддержания прерывистой работы.

Четвертая проблема касается просачивающихся отверстий в механизме, предназначенных для медленного заполнения этих различных уплотнительных камер, когда сифон сухой. Просачивающиеся отверстия могут быть забиты мусором и коррозией, требуя ручной очистки и вмешательства. Чтобы предотвратить это, сифон может быть ограничен чистыми источниками жидкости, без твердых частиц или осадка.

Начиная, по крайней мере, с 1850-х годов было изобретено множество автоматических сифонов, представляющих собой механизмы автоматического сифона, которые пытались преодолеть эти проблемы, используя различные пневматические и гидродинамические принципы.

Приложения и терминология

Переливание пива после первой ферментации

Когда необходимо очистить определенные жидкости, сифонирование может помочь предотвратить перемещение как нижней части ( осадка ), так и верхней части ( пены и плавающих частиц) из одной емкости в новую. Таким образом, сифонирование полезно при ферментации вина и пива по этой причине, поскольку оно может предотвратить попадание нежелательных примесей в новую емкость.

Самодельные сифоны, сделанные из труб или трубок, могут использоваться для откачки воды из подвалов после наводнений. Между затопленным подвалом и более глубоким местом снаружи строится соединение с помощью трубы или нескольких труб. Они заполняются водой через впускной клапан (на самом высоком конце конструкции). Когда концы открываются, вода течет по трубе в канализацию или реку.

Сифонное орошение хлопка в Сент-Джордже, Квинсленд .

Сифонирование широко распространено на орошаемых полях для перекачивания контролируемого количества воды из канавы через ее стенки в борозды.

Большие сифоны могут использоваться в муниципальных водопроводных станциях и промышленности. Их размер требует управления с помощью клапанов на входе, выходе и гребне сифона. Сифон может быть заполнен путем закрытия входа и выходов и заполнения сифона на гребне. Если входы и выходы погружены, вакуумный насос может быть применен на гребне для заполнения сифона. В качестве альтернативы сифон может быть заполнен насосом либо на входе, либо на выходе. Газ в жидкости является проблемой в больших сифонах. ^[30] Газ имеет тенденцию накапливаться на гребне, и если его накапливается достаточно, чтобы прервать поток жидкости, сифон перестает работать. Сам сифон усугубит проблему, потому что по мере того, как 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 поддержание постоянной низкой температуры помогает. Чем дольше жидкость находится в сифоне, тем больше газа выделяется, поэтому более короткий сифон в целом помогает. Локальные высокие точки будут задерживать газ, поэтому впускные и выпускные колена должны иметь непрерывные наклоны без промежуточных высоких точек. Поток жидкости перемещает пузырьки, поэтому впускное колено может иметь пологий наклон, поскольку поток будет подталкивать пузырьки газа к гребню. И наоборот, выпускное колено должно иметь крутой наклон, чтобы позволить пузырькам двигаться против потока жидкости; хотя другие конструкции требуют также пологого наклона в выпускном колене, чтобы позволить пузырькам выходить из сифона. На гребне газ может быть захвачен в камере над гребнем. Камеру необходимо время от времени снова заполнять жидкостью, чтобы удалить газ.

Сифон, используемый для домашнего пивоварения.

Сифонный дождемер

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

Сифонный дренаж

Метод сифонной дренажной системы внедряется на нескольких скоростных автомагистралях с 2022 года. Недавние исследования показали, что он может снизить уровень грунтовых вод за подпорными стенками скоростной автомагистрали, и не было никаких признаков засорения. Эта новая дренажная система является пионером в качестве долгосрочного метода для ограничения опасности утечки в подпорной стенке. ^[31] Сифонная дренажная система также используется для осушения нестабильных склонов, а сифонные системы дренажа воды с крыш используются с 1960-х годов. ^{[32] [33]}

Сифонный водосброс

Сифонные водосбросы, осушающие водохранилище вдоль реки Бордман недалеко от Траверс-Сити, штат Мичиган , в 2017 году.

Сифонный водосброс в плотине обычно технически не является сифоном, так как он обычно используется для слива повышенных уровней воды. ^[34] Однако сифонный водосброс работает как фактический сифон, если он поднимает поток выше поверхности исходного водохранилища, как иногда бывает при использовании в орошении. ^{[35] [21]} В эксплуатации сифонный водосброс считается «трубчатым потоком» или «потоком с закрытым каналом». ^[36] Нормальный поток водосброса находится под давлением высоты водохранилища над водосбросом, тогда как скорость потока сифона регулируется разницей в высоте входа и выхода. ^{[ необходима цитата ]} Некоторые конструкции используют автоматическую систему, которая использует поток воды в спиральном вихре для удаления воздуха выше для заполнения сифона. Такая конструкция включает спиральный сифон. ^[37]

Смывной туалет

В унитазах со смывом часто возникает эффект сифона при опорожнении чаши.

Некоторые туалеты также используют принцип сифона для получения фактического смыва из бачка . Смыв запускается рычагом или ручкой, которая управляет простым мембраноподобным поршневым насосом, который поднимает достаточно воды к вершине сифона, чтобы начать поток воды, который затем полностью опорожняет содержимое бачка в унитаз. Преимущество этой системы заключалось в том, что вода не вытекала из бачка, за исключением случаев смыва. Они были обязательными в Великобритании до 2011 года. ^{[38] [ не удалось проверить ]}

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

Устройства, которые не являются 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 попадать в верхнюю камеру (D), где она смешивается с кофейной гущей. Когда тепло отводится, вода стекает обратно вниз.

В то время как 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 снимается с нижнего конца, поток жидкости изменит направление, показывая, что именно давление приводит в движение сифон. Повседневным примером этого является сифонная кофеварка, которая работает следующим образом (конструкции различаются; это стандартная конструкция, без кофейной гущи):

• стеклянный сосуд наполняют водой, затем закупоривают (чтобы не было воздуха) сифоном, торчащим вертикально вверх
• сверху помещают другой стеклянный сосуд, открытый для атмосферы – верхний сосуд пустой, нижний заполнен водой
• Затем нижний сосуд нагревают; по мере повышения температуры увеличивается давление паров воды (вода все больше испаряется); когда вода закипает, давление паров становится равным атмосферному давлению, а когда температура поднимается выше точки кипения, давление в нижнем сосуде превышает атмосферное давление и выталкивает воду по сифону в верхний сосуд.
• небольшое количество еще горячей воды и пара остается в нижнем сосуде и поддерживается в горячем состоянии, при этом давление удерживает воду в верхнем сосуде
• Когда тепло отводится от нижнего сосуда, давление пара уменьшается и больше не может поддерживать столб воды — сила тяжести (действующая на воду) и атмосферное давление выталкивают воду обратно в нижний сосуд.

На практике верхний сосуд заполняется кофейной гущей, а тепло отводится из нижнего сосуда, когда кофе заканчивается завариваться. Конкретно давление пара означает, что кипящая вода преобразует воду высокой плотности (жидкость) в пар низкой плотности (газ), который таким образом расширяется, занимая 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

В то время как простой сифон не может выводить жидкость на уровень выше исходного резервуара, более сложное устройство, использующее герметичную измерительную камеру на гребне и систему автоматических клапанов, может выбрасывать жидкость на постоянной основе на уровень выше исходного резервуара без добавления внешней энергии накачки. Он может сделать это, несмотря на то, что на первый взгляд кажется нарушением закона сохранения энергии, поскольку он может использовать энергию большого объема жидкости, падающей с некоторого расстояния, чтобы поднять и выпустить небольшой объем жидкости над исходным резервуаром. Таким образом, можно сказать, что он «требует» большого количества падающей жидкости для питания дозирования небольшого количества. Такая система обычно работает циклически или старт/стопно, но непрерывно и автономно. ^{[39] [40]} Насосы-плунжеры не работают таким образом. Эти дозирующие насосы являются настоящими сифонными насосными устройствами, которые используют сифоны в качестве источника питания.

Перевернутый сифон

Гидрозатвор под раковиной. Обратный сифон 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, которая транспортируется по каналам или желобам через долины, для орошения или добычи золота. Римляне использовали перевернутые сифоны из свинцовых труб, чтобы пересекать долины, которые были слишком большими для строительства акведука . [ ^{41] [42] [43]}

Перевернутые сифоны обычно называют ловушками из-за их функции предотвращения обратного выхода канализационных газов из канализации ^[44] и иногда извлечения плотных объектов, таких как кольца и электронные компоненты, после падения в канализацию. ^{[45] [46]} Жидкость, текущая в одном конце, просто выталкивает ее вверх и наружу из другого конца, но твердые частицы, такие как песок, будут накапливаться. Это особенно важно в канализационных системах или водопропускных трубах , которые должны быть проложены под реками или другими глубокими препятствиями, где лучшим термином является «заглубленная канализация». ^{[47] [48]}

Обратный сифонаж

Обратный сифон — это сантехнический термин, применяемый к изменению нормального потока воды в водопроводной системе из-за резкого снижения или отрицательного давления со стороны подачи воды , например, при высоком спросе на воду при тушении пожаров ; ^[49] это не настоящий сифон, так как это всасывание . ^[50] Обратный сифон встречается редко, поскольку зависит от затопленных входных отверстий на выходе (доме), а они встречаются редко. ^[51] Обратный сифон не следует путать с обратным потоком ; это обратный поток воды от выхода к подающему концу, вызванный давлением, возникающим на выходе. ^[51] Кроме того, строительные нормы обычно требуют установки обратного клапана в месте входа воды в здание для предотвращения обратного потока в систему питьевого водоснабжения .

Антисифонный клапан

Строительные нормы часто содержат специальные разделы по обратному сифонированию, особенно для внешних кранов (см. пример цитаты из строительного кодекса ниже). В таких конструкциях требуются устройства для 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, такой как садовый пруд , бассейн , аквариум или стиральная машина . В этих ситуациях нежелательный поток на самом деле является не результатом сифона, а всасыванием из-за пониженного давления со стороны подачи воды. Если давление в системе водоснабжения падает, внешняя вода может быть возвращена обратным давлением в систему питьевой воды через кран. Еще одной возможной точкой загрязнения является забор воды в бачке унитаза. Здесь также требуется антисифонный клапан, чтобы предотвратить перепады давления в линии подачи воды из-за всасывания воды из бачка унитаза (который может содержать добавки, такие как «туалетная синь» ^[53] ) и загрязнения системы водоснабжения. Антисифонные клапаны функционируют как однонаправленный обратный клапан .

Антисифонные клапаны также используются в медицине. Гидроцефалия , или избыток жидкости в мозге, может лечиться с помощью шунта , который отводит спинномозговую жидкость из мозга. Все шунты имеют клапан для сброса избыточного давления в мозге. Шунт может вести в брюшную полость таким образом, что выход шунта значительно ниже, чем вход шунта, когда пациент стоит. Таким образом, может иметь место эффект сифона, и вместо того, чтобы просто снимать избыточное давление, шунт может действовать как сифон, полностью сливая спинномозговую жидкость из мозга. Клапан в шунте может быть спроектирован так, чтобы предотвратить это действие сифона, так что отрицательное давление на слив шунта не приведет к избыточному дренажу. Только избыточное положительное давление изнутри мозга должно привести к дренажу. ^{[54] [55] [56]}

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

Примеры строительных норм и правил относительно «обратного сифона» из канадской провинции Онтарио : ^[57]

7.6.2.3.Задний сифонаж

1. Каждая система питьевого водоснабжения, которая снабжает водой приспособление или резервуар, не подвергающийся давлению выше атмосферного, должна быть защищена от обратного подсоса с помощью устройства предотвращения обратного потока .
2. Если система питьевого водоснабжения подключена к бойлеру, резервуару, охлаждающей рубашке, системе орошения газонов или другому устройству, где непитьевая жидкость может находиться под давлением, превышающим атмосферное, или водовыпускное отверстие может быть погружено в непитьевую жидкость, система водоснабжения должна быть защищена от обратного потока с помощью устройства предотвращения обратного потока.
3. Если шланговый кран установлен снаружи здания, внутри гаража или там, где существует определенный риск загрязнения, система питьевого водоснабжения должна быть защищена от обратного потока с помощью устройства предотвращения обратного потока.

Другие устройства против сифона

Наряду с антисифонными клапанами существуют также антисифонные устройства . Эти два устройства не связаны между собой по применению. Сифонирование может использоваться для удаления топлива из баков. С ростом стоимости топлива в нескольких странах оно было связано с ростом краж 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 применяется к простейшему ртутному барометру . Непрерывная U-образная трубка одинакового диаметра запечатана с одного конца и заполнена ртутью. При помещении в вертикальное положение «U» ртуть будет вытекать из запечатанного конца, образуя частичный вакуум, пока не будет уравновешена атмосферным давлением на другом конце. Термин «сифон» происходит от убеждения, что давление воздуха участвует в работе сифона. Разница в высоте жидкости между двумя плечами U-образной трубки такая же, как максимальная промежуточная высота сифона. При использовании для измерения давления, отличного от атмосферного, сифонный барометр иногда называют сифонным манометром ; они не являются сифонами, но следуют стандартной U-образной конструкции ^[58], что привело к появлению этого термина. Сифонные барометры по-прежнему производятся как точные приборы. ^[59] Сифонные барометры не следует путать с сифонным дождемером., ^[60]

Сифонная бутылка

Бутылки с сифоном

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

Сифонная чаша

Сифонная чаша — это (подвесной) резервуар с краской, прикрепленный к распылителю, это не сифон, поскольку вакуумный насос извлекает краску. ^[62] Это название используется для того, чтобы отличать его от резервуаров с гравитационной подачей. Архаичное использование термина — это чаша с маслом, в которой масло транспортируется из чашки через хлопковый фитиль или трубку к поверхности, которую нужно смазать, это не сифон, а пример капиллярного действия .

сифон цапли

Сифон Герона не является сифоном, поскольку он работает как гравитационный насос давления, ^{[63] [64]} на первый взгляд он кажется вечным двигателем, но остановится, когда воздух в заливочном насосе закончится. В немного другой конфигурации он также известен как фонтан Герона . ^[65]

сифон Вентури

Сифон Вентури , также известный как эдуктор , не является сифоном, а формой вакуумного насоса, использующего эффект Вентури быстро текущих жидкостей (например, воздуха), чтобы создавать низкое давление для всасывания других жидкостей; распространенным примером является карбюратор . См. напорная головка . Низкое давление в горловине Вентури называется сифоном, когда вводится вторая жидкость, или аспиратором, когда жидкостью является воздух, это пример ошибочного представления о том, что давление воздуха является рабочей силой для сифонов.

Сифонный дренаж кровли

Несмотря на название, сифонный дренаж крыши не работает как сифон; технология использует гравитационную вакуумную откачку ^[66] для горизонтальной транспортировки воды из нескольких водостоков крыши в одну водосточную трубу и для увеличения скорости потока. ^[67] Металлические перегородки на входах водостоков крыши уменьшают нагнетание воздуха, что повышает эффективность системы. ^[68] Одним из преимуществ этого метода дренажа является снижение капитальных затрат на строительство по сравнению с традиционным дренажом крыши. ^[66] Другим преимуществом является устранение уклона трубы или градиента, необходимого для обычного дренажного трубопровода крыши. Однако эта система гравитационной откачки в основном подходит для больших зданий и обычно не подходит для жилых помещений. ^[68]

Самосифоны

Термин «самосифон» используется в нескольких значениях. Жидкости, состоящие из длинных полимеров, могут «самосифонировать» ^{[69] [70],} и эти жидкости не зависят от атмосферного давления. Самосифонные полимерные жидкости работают так же, как и модель сифонной цепи, где нижняя часть цепи тянет остальную часть цепи вверх и через гребень. Это явление также называется беструбчатым сифоном . ^[71]

Термин «самосифон» также часто используется в рекламных материалах производителями сифонов для описания портативных сифонов, содержащих насос. С насосом не требуется внешнего всасывания (например, изо рта/легких человека) для запуска сифона, поэтому продукт описывается как «самосифон».

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

В природе

Анатомия

Термин «сифон» используется для обозначения ряда структур в анатомии человека и животных, либо потому, что в них задействованы текущие жидкости, либо потому, что структура имеет форму сифона, но в которой фактически не возникает эффект сифона: см. Сифон (значения) .

Был спор о том, играет ли механизм сифона какую-либо роль в кровообращении . Однако в «замкнутом контуре» кровообращения это было проигнорировано; «Напротив, в «замкнутых» системах, таких как кровообращение, гравитация не препятствует восходящему потоку и не вызывает нисходящего потока, поскольку гравитация действует одинаково на восходящие и нисходящие ветви контура», но по «историческим причинам» этот термин используется. ^{[73] [74]} Одна из гипотез (в 1989 году) состояла в том, что сифон существовал в кровообращении жирафа . [ ^75] Но дальнейшие исследования в 2004 году показали, что «гидростатического градиента нет, и поскольку «падение» жидкости не помогает восходящей руке, сифона нет. Высокое артериальное давление жирафа, которого достаточно, чтобы поднять кровь на 2 м от сердца к голове с достаточным остаточным давлением для перфузии мозга, подтверждает эту концепцию». ^{[74] [76]} Однако в статье, написанной в 2005 году, содержался призыв к более глубокому исследованию этой гипотезы:

Принцип сифона не является видоспецифичным и должен быть основополагающим принципом замкнутых кровеносных систем. Поэтому спор вокруг роли принципа сифона может быть лучше всего решен с помощью сравнительного подхода. Анализы кровяного давления у различных длинношеих и длиннотелых животных, которые учитывают филогенетическое родство, будут важны. Кроме того, экспериментальные исследования, которые объединяли измерения артериального и венозного кровяного давления с мозговым кровотоком при различных гравитационных напряжениях (различные положения головы), в конечном итоге разрешат этот спор. ^[77]

Разновидность

Некоторые виды названы в честь сифонов, потому что они напоминают сифоны полностью или частично. Геосифоны — это грибы . Существуют виды водорослей, принадлежащие к семейству Siphonocladaceae в типе Chlorophyta ^[78] , которые имеют трубчатые структуры. Ruellia villosa — тропическое растение семейства Acanthaceae , также известное под ботаническим синонимом Siphonacanthus villosus Nees '. ^[79]

Геология

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

Реки

Речной сифон возникает, когда часть потока воды проходит под затопленным объектом, таким как камень или ствол дерева. Вода, текущая под препятствием, может быть очень мощной, и, как таковая, может быть очень опасной для каякинга, каньонинга и других водных видов спорта на реке.

Объяснение с использованием 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 за отметку отсчета будет поверхность верхнего водоема.

Пусть точка А будет начальной точкой сифона, погруженного в верхний резервуар и находящегося на глубине − ​​d ниже поверхности верхнего резервуара.

Пусть точка B будет промежуточной верхней точкой на сифонной трубке 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

Применим уравнение Бернулли к поверхности верхнего резервуара. Поверхность технически падает, поскольку верхний резервуар осушается. Однако для этого примера мы предположим, что резервуар бесконечен , а скорость поверхности может быть установлена ​​равной нулю. Более того, давление как на поверхности, так и в точке выхода C является атмосферным давлением. Таким образом:

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

Применим уравнение Бернулли к точке B в промежуточной верхней точке сифонной трубы, где P = P _B , v = v _B и y = h _B

Применим уравнение Бернулли к точке C, где сифон опорожняется. Где v = v _C и y = − h _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:

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

Скорость сифона, таким образом, определяется исключительно разницей высот между поверхностью верхнего резервуара и точкой слива. Высота промежуточной высокой точки, h _B , не влияет на скорость сифона. Однако, поскольку сифон представляет собой единую систему, v _B = v _C , а промежуточная высокая точка ограничивает максимальную скорость. Точка слива не может быть опущена бесконечно для увеличения скорости. Уравнение 3 ограничит скорость, чтобы сохранить положительное давление в промежуточной высокой точке для предотвращения кавитации . Максимальная скорость может быть рассчитана путем объединения уравнений 1 и 3:

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

Устанавливаем P _B = 0 и решаем относительно 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 верхнем резервуаре не влияет на скорость сифона. Уравнение 2 не подразумевает ограничения глубины начальной точки сифона, поскольку давление P _A увеличивается с глубиной d . Оба эти факта подразумевают, что оператор сифона может снимать снизу или сверху верхний резервуар, не влияя на производительность сифона.

Это уравнение для скорости такое же, как и для любого объекта, падающего с высоты h _C . Это уравнение предполагает, что P _C — атмосферное давление. Если конец сифона находится ниже поверхности, высоту до конца сифона использовать нельзя; вместо этого следует использовать разницу высот между резервуарами.

Максимальная высота

Хотя сифоны могут превышать барометрическую высоту жидкости в особых обстоятельствах, например, когда жидкость дегазирована, а трубка чистая и гладкая, ^[80] в общем случае 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 высокой точки достигается, когда она настолько высока, что давление в промежуточной высокой точке равно нулю; в типичных сценариях это приведет к образованию пузырьков в жидкости, и если пузырьки увеличатся и заполнят трубу, то 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 давлением вдоль линии тока, которое всегда больше нуля.

Максимальная высота сифона:

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

Это максимальная высота, на которой будет работать сифон. Подстановка значений даст приблизительно 10 м (33 фута) для воды и, по определению стандартного давления , 0,76 м (760 мм; 30 дюймов) для ртути. Отношение высот (около 13,6) равно отношению плотностей воды и ртути (при заданной температуре). Пока это условие выполняется (давление больше нуля), поток на выходе сифона по-прежнему регулируется только разницей высот между поверхностью источника и выходом. 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 дегазированные, а поверхности очень чистые. ^{[4] [81] [6] [7] [82] [83] [84] [26]}

В статье Оксфордского словаря английского языка (OED) о сифоне , опубликованной в 1911 году, говорится, что сифон работает под действием атмосферного давления . Стивен Хьюз из Технологического университета Квинсленда раскритиковал это в статье 2010 года ^[21] , которая широко освещалась в СМИ. ^{[85] [86] [87] [88]} Редакторы OED заявили: «Среди ученых продолжаются дебаты относительно того, какая точка зрения верна. ... Мы ожидаем, что эти дебаты будут отражены в полностью обновленной статье о сифоне, которая должна быть опубликована в конце этого года». ^[89] Хьюз продолжил защищать свою точку зрения на сифон в сообщении в конце сентября в блоге Оксфорда. ^[90] Определение OED 2015 года выглядит следующим образом:

Трубка, используемая для подачи жидкости вверх из резервуара, а затем вниз на более низкий уровень по собственной воле. После того, как жидкость была закачана в трубку, как правило, путем всасывания или погружения, поток продолжается без посторонней помощи.

В настоящее время в Британской энциклопедии сифон описывается следующим образом:

Сифон, также пишется как сифон, инструмент, обычно в форме трубки, изогнутой в форме двух ножек неравной 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 в атмосферном давлении, как иногда думают; сифон будет работать в вакууме) и от сил сцепления, которые не дают столбам жидкости в ножках сифона разрушаться под собственным весом. На уровне моря вода может быть поднята сифоном немного более чем на 10 метров (33 фута). В гражданском строительстве трубопроводы, называемые перевернутыми сифонами, используются для транспортировки сточных вод или ливневой воды под ручьями, выемками шоссе или другими углублениями в земле. В перевернутом сифоне жидкость полностью заполняет трубу и течет под давлением, в отличие от гравитационного потока открытого канала, который происходит в большинстве санитарных или ливневых канализаций. ^[91]

Стандарты в области машиностроения и промышленности

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

• ASSE 1002/ASME A112.1002/CSA B125.12 по эксплуатационным требованиям к антисифонным наполнительным клапанам (шаровым кранам) для смывных бачков унитазов с гравитационной системой слива

Смотрите также

• Взрывы в Гвадалахаре в 1992 году: подробности аварии, в которой метод прокладки труб ( ловушка , также известная как перевернутый сифон ) стал частичной причиной взрывов газа.
• Сообщающиеся сосуды
• Концентрический сифон
• Гравитационная подача
• Сифон для покачивания
• Банка Маро
• Пифагорейская чаша
• Уровень воды (устройство)

Ссылки

• Calvert, James B. (11 мая 2000 г.). "Гидростатика" . Получено 8 октября 2019 г.

1. Ramette, Joshua J.; Ramette, Richard W. (июль 2011 г.). «Исследование сифонических концепций: сифон для углекислого газа и сифоны в вакууме». Physics Education . 46 (4): 412–416. Bibcode : 2011PhyEd..46..412R. doi : 10.1088/0031-9120/46/4/006. S2CID  120194913.
2. Ричерт, Алекс; Биндер, П.-М. (февраль 2011 г.). "Сифоны, снова о них" (PDF) . Учитель физики . 49 (2): 78. Bibcode :2011PhTea..49...78R. doi : 10.1119/1.3543576 .Пресс-релиз для этой статьи: «Выдергивание цепи по иску о сифонах» (пресс-релиз). Гавайский университет в Хило. 19 января 2011 г.
3. McGuire, Adam (2 августа 2012 г.). "О физике сифонов" (PDF) . Национальный научный фонд. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-05-05 . Получено 2014-05-05 .
4. Minor, Ральф Смит (1914). «Будет ли течь сифон в вакууме! Экспериментальные ответы» (PDF) . Школьные науки и математика . 14 (2): 152–155. doi :10.1111/j.1949-8594.1914.tb16014.x.
5. Боутрайт, А.; Хьюз, С.; Барри, Дж. (2015-12-02). "Предельная высота сифона". Scientific Reports . 5 (1): 16790. Bibcode :2015NatSR...516790B. doi :10.1038/srep16790. ISSN  2045-2322. PMC 4667279 . PMID  26628323. 
6. Michels, John (1902). Наука. Американская ассоциация содействия развитию науки. стр. 152. Получено 15 апреля 2018 г. – через интернет-архив. duane siphon 1902.
7. Nokes, M. C. (1948). "Вакуумные сифоны" (PDF) . School Science Review . 29 : 233. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-07-29.
8. Вода течет вверх на 24 метра Не ​​магия, а наука! Гравитация жизни (часть 3) на YouTube
9. Удивительный эксперимент с цепочкой из бисера в замедленной съемке | Замедленная съемка | Earth Unplugged на YouTube .
10. Заливка и слив газа на YouTube
11. Шибер, Франк (28 марта 2011 г.). «Виноделие в Древнем Египте: 2000 лет до Рождества Христова» (PDF) . Получено 6 марта 2023 г.
12. Usher, Abbott Payson (15 апреля 2018 г.). История механических изобретений. Courier Corporation. стр. 93. ISBN 978-0-4862-5593-4.
13. Дора П. Крауч (1993). «Управление водными ресурсами в древнегреческих городах». Oxford University Press, США . стр. 119. ISBN 0-19-507280-4 . 
14. "ПНЕВМАТИКА ГЕРОЯ АЛЕКСАНДРИИ". himedo.net . Архивировано из оригинала 7 февраля 2020 года . Получено 15 апреля 2018 года .
15. Бану Муса (1979). Книга гениальных устройств (Kitāb al-ḥiyal) . Перевод Дональда Рутледжа Хилла . Springer . стр. 21. ISBN 978-90-277-0833-5.
16. «История науки и технологий в исламе». www.history-science-technology.com . Получено 15 апреля 2018 г. .
17. Calvert (2000). «Максимальная высота, на которую может быть поднята вода всасывающим насосом».
18. "Физик из QUT исправляет Оксфордский словарь английского языка (с видео)". phys.org .
19. «Аналогия со шкивом не работает для каждого сифона».
20. Смит, Эндрю М. (1991). «Отрицательное давление, создаваемое присосками осьминога: исследование прочности воды на разрыв в природе». Журнал экспериментальной биологии . 157 (1): 257–271. doi :10.1242/jeb.157.1.257.
21. Хьюз, Стивен У. (март 2010 г.). «Практический пример работы сифона». Physics Education . 45 (2). IOP Publishing: 162–166. Bibcode : 2010PhyEd..45..162H. doi : 10.1088/0031-9120/45/2/006. ISSN  0031-9120. S2CID  122367587.
22. Боутрайт, А.; Хьюз, С.; Барри, Дж. (2 декабря 2015 г.). «Предельная высота сифона». Nature . 5 : 16790. Bibcode :2015NatSR...516790B. doi :10.1038/srep16790. PMC 4667279 . PMID  26628323. 
23. Кэлверт (2000). «Сифон».
24. Поттер, А.; Барнс, Ф. Х. (1 сентября 1971 г.). «Сифон». Physics Education . 6 (5): 362–366. Bibcode : 1971PhyEd...6..362P. doi : 10.1088/0031-9120/6/5/005 .
25. Хьюз, Стивен У. (май 2011 г.). «Секретный сифон» (PDF) . Физическое образование . 46 (3): 298–302. Bibcode : 2011PhyEd..46..298H. doi : 10.1088/0031-9120/46/3/007. S2CID  122754077.
26. Boatwright, Adrian L. (2011). «Может ли сифон работать в вакууме?». Журнал химического образования . 88 (11): 1547–1550. Bibcode : 2011JChEd..88.1547B. doi : 10.1021/ed2001818.
27. Дули, Джон В. (2011). «Сифонирование — весомая тема». Physics Today . 64 (8): 10. Bibcode : 2011PhT....64h..10D. doi : 10.1063/PT.3.1199 .
28. Хьюз, Стивен; Гурунг, Сом (22 апреля 2014 г.). «Изучение границы между сифоном и барометром в гипобарической камере». Scientific Reports . 4 (1): 4741. Bibcode :2014NatSR...4E4741H. doi : 10.1038/srep04741 . PMC 3994459 . PMID  24751967. 
29. "Паспорт безопасности для неэтилированного бензина среднего качества" (PDF) . 28 ноября 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28-05-2008.
30. "Сифоны для систем очистки Geosiphon". sti.srs.gov . Получено 11 мая 2010 г.
31. Янь, Синь; Чжань, Вэй; Ху, Чжи; Ван, Лэй; Юй, Ицян; Сяо, Даньцян (2022-12-01). "Экспериментальное исследование противозасоряющей способности сифонного дренажа и инженерное применение". Грунты и фундаменты . 62 (6): 101221. Bibcode : 2022SoFou..6201221Y. doi : 10.1016/j.sandf.2022.101221 . ISSN  0038-0806. S2CID  252793321.
32. Администратор, WJ Group (7 июля 2015 г.). "Слив сифона". WJ Group . Получено 10.02.2023 .
33. "Системы сифонной кровельной канализации". www.ntotank.com . Получено 2023-02-10 .
34. Смит, У. Б. (29 июля 2005 г.). «Сифонный водосброс – автоматически запускающиеся сифоны». www.vl-irrigigation.org . Архивировано из оригинала 2015-06-02 . Получено 15 апреля 2018 г.
35. "Происходит заполнение озера Бонни". www.abc.net.au . 26 ноября 2008 г. Получено 15 апреля 2018 г.
36. "Hm16036e.vp" (PDF) . Получено 2021-11-19 .
37. Рао, Говинда Н. С. (2008). "Конструкция сифона со спиралью" (PDF) . Журнал Индийского института науки . 88 (3): 915–930. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-20 . Получено 19-12-2013 .
38. "Сифон против смыва клапана - Information Hub" . Получено 15 апреля 2018 г.
39. "Улучшение сифонных насосов" . Получено 15 апреля 2018 г.
40. "Сифонный насос с измерительной камерой" . Получено 15 апреля 2018 г.
41. "Aqua Clopedia, иллюстрированный словарь римских акведуков: Сифоны". www.romanaqueducts.info . Получено 15 апреля 2018 г. .
42. "Перевернутый сифон римских акведуков - Форум Naked Science". www.thenakedscientists.com . Получено 15 апреля 2018 г. .
43. "Сифоны в римских (и эллинистических) акведуках". www.romanaqueducts.info . Получено 15 апреля 2018 г. .
44. Картер, Тим (26 января 2017 г.). «Запахи канализации в ванной — спросите строителя» . Получено 15 апреля 2018 г.
45. "Сифоны дренажа — защита от канализационного газа". Архивировано из оригинала 23 ноября 2016 года . Получено 15 апреля 2018 года .
46. «Как достать предмет, упавший в слив раковины — A Concord Carpenter». www.aconcordcarpenter.com . Получено 15 апреля 2018 г.
47. "Инвертированный сифон. Пониженная канализация. Расчеты конструкции". www.lmnoeng.com . Получено 15 апреля 2018 г. .
48. "Административный кодекс Аризоны, раздел 18. Качество окружающей среды, глава 9. Департамент качества окружающей среды, статья 3. Разрешения на защиту водоносных горизонтов, часть E. Общие разрешения типа 4" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-09-13 . Получено 2015-01-05 .
49. Poo, Wing. "Что такое обратный сифонаж и его причины? - FAQ по воде. Предотвращение обратного потока. Вода / Сточные воды. Операционный центр". www.grimsby.ca . Архивировано из оригинала 2018-04-15 . Получено 15 апреля 2018 г.
50. "Питьевая вода - обратный поток и обратный сифонаж". water.ky.gov . Получено 15 апреля 2018 г. .
51. "Информация о системах общественного водоснабжения" (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США . 21 сентября 2015 г. . Получено 15 апреля 2018 г. .
52. "Toiletology ... Anti-siphon needs an Explain". www.toiletology.com. Архивировано из оригинала 10 мая 2010 года . Получено 11 мая 2010 года .
53. "Toilet Blue Loo - Sweet Lu". www.cleaningshop.com.au . CLEANERS SUPERMARKET® Pty, Ltd . Получено 15 апреля 2018 г. .
54. Токоро, Казухико; Чиба, Ясухиро; Абэ, Хироюки; Танака, Нобумаса; Яматаки, Акира; Канно, Хироси (1994). «Значение антисифонных устройств при лечении детской гидроцефалии». Нервная система ребенка . 10 (4): 236–8. doi :10.1007/BF00301160. PMID  7923233. S2CID  25326092.
55. "Гидроцефалия и шунты у человека с Spina Bifida" (пресс-релиз). Ассоциация Spina Bifida Америки. 2009. Архивировано из оригинала 28 июля 2011 года . Получено 9 ноября 2010 года .
56. Земак, Гёран; Ромнер, Бертил (1999). «Семилетний клинический опыт использования программируемого клапана Codman Hakim: ретроспективное исследование 583 пациентов». Neurosurgical Focus . 7 (4): 941–8. doi : 10.3171/foc.1999.7.4.11 .
57. "Часть 4: Структурное проектирование". Архивировано из оригинала 28 мая 2004 г.
58. "Сифон манометра - 910.15 - WIKA Australia". www.wika.com.au . Получено 15 апреля 2018 г. .
59. "Сифонный барометр". Архивировано из оригинала 2015-01-05 . Получено 2015-01-05 .
60. "СИФОННЫЙ ДОЖДЕВИК". www.axinum.com . Получено 15 апреля 2018 г. .
61. [1] ^{[ мертвая ссылка ]}
62. «Гравитация или сифон? — Советы по аэрографии от Дона». sites.google.com . Получено 15 апреля 2018 г. .
63. Гринслейд, Томас Б. младший. "Фонтан героя". physics.kenyon.edu . Архивировано из оригинала 21 января 2020 года . Получено 15 апреля 2018 года .
64. Agbanlog, Rogelio Cabang; Chen, Guangming (2014). "Мини-гидроэлектростанция с рециркуляционным источником энергии воды". В Guan, Y.; Liao, H. (ред.). Труды 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. "Siphonic Solutions design and contract" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-02-27 . Получено 2015-01-05 .
67. "Syphonic Drainage by Fullflow: Syphonic Explained". Архивировано из оригинала 2015-01-05 . Получено 2015-01-05 .
68. "Сифонный дренаж крыши выходит на первое место". Архивировано из оригинала 2014-09-10 . Получено 2015-01-05 .
69. "Физические демонстрации - Свет". sprott.physics.wisc.edu . Получено 11 мая 2010 г.
70. Факультет химии. Chem.soton.ac.uk. Получено 11 ноября 2010 г.
71. Демонстрация бескамерного сифона и разбухания штампа, Кристофер В. Макминн и Гарет Х. Маккинли, 26 сентября 2004 г.
72. "Siphon". Grow.arizona.edu . Архивировано из оригинала 2004-06-02 . Получено 11 ноября 2010 .
73. Gisolf, Janneke (25 февраля 2005 г.). "Влияние гравитации на кровообращение" (PDF) . Изменения осанки у людей: влияние гравитации на кровообращение (PDF) (диссертация). Амстердамский университет. стр. 7–12. hdl :11245/1.239323. ISBN 978-90-901905-70. OCLC  6893398534.
74. Gisolf, J.; Gisolf, A.; van Lieshout, JJ; Karemaker, JM (2005). «Противоречие сифона: интеграция концепций и мозг как помеха». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 289 (2). Американское физиологическое общество: R627–R629. doi :10.1152/ajpregu.00709.2004. ISSN  0363-6119. PMID  16014453.
75. Хикс, Дж. В.; Бадир, Х. С. (февраль 1989 г.). «Механизм сифона в складных трубках: применение к кровообращению головы жирафа». Am. J. Physiol . 256 (2 Pt 2): R567–71. doi :10.1152/ajpregu.1989.256.2.R567. PMID  2916707.
76. Сеймур, Р. С.; Йохансен, К. (1987). «Ток крови вверх и вниз: облегчает ли сифон циркуляцию выше сердца?». Comp Biochem Physiol A. 88 ( 2): 167–70. doi :10.1016/0300-9629(87)90465-8. PMID  2890463.
77. Хикс, Джеймс У.; Мунис, Джеймс Р. (2005). «Контрапункт спора о сифоне: мозг не должен быть «сбивающим с толку»". Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 289 (2). Американское физиологическое общество: R629–R632. doi :10.1152/ajpregu.00810.2004. ISSN  0363-6119. PMID  16014454.
78. "Flora da Bahia: Siphonocladaceae" . Получено 19.11.2021 .
79. "Флора бразильская, CRIA" . Florabrasiliensis.cria.org.br . Проверено 15 апреля 2018 г.
80. "Вода течет вверх на 24 метра. Не магия, а наука! Гравитация жизни (часть 3)". YouTube . Получено 30 ноября 2014 г.
81. "Сифон в вакууме - Периодическая таблица видео". Архивировано из оригинала 2021-12-12 – через www.youtube.com.
82. "Концепции Siphon". Архивировано из оригинала 2012-10-09.
83. Ганчи, С.; Егоренков, В. (2008). «Исторические и педагогические аспекты скромного инструмента». European Journal of Physics . 29 (3): 421–430. Bibcode : 2008EJPh...29..421G. doi : 10.1088/0143-0807/29/3/003. S2CID  119563871.
84. Nokes MC (1948). «Вакуумные сифоны». Am. J. Phys . 16 : 254.
85. Физик из QUT исправляет Оксфордский словарь английского языка
86. "AOL News, 99 лет Оксфордский словарь английского языка ошибался". Архивировано из оригинала 2010-05-14.
87. Каллигерос, Марисса (10 мая 2010 г.). «Ошибка в словаре остается незамеченной в течение 99 лет». Brisbane Times .
88. Малкин, Бонни (11 мая 2010 г.). «Физик обнаружил ошибку 99-летней давности в Оксфордском словаре английского языка». The Daily Telegraph (Лондон) .
89. «Об определении «сифона»». OUPblog . Oxford University Press . 21 мая 2010 г. Получено 23 мая 2010 г.
90. «Об определении «сифона» — OUPblog». 21 мая 2010 г. Получено 15 апреля 2018 г.
91. "Сифон - инструмент" . Получено 15 апреля 2018 г. .

Внешние ссылки

• «Сифон в вакууме». Периодическая таблица видео . Ноттингемский университет .
• xkcd на сифоне