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サイフォンのしくみ
サイフォン 大気圧を利用して、液体をいったん高所まで上げて低所に移すために使う曲管・・・ ・・と辞書にはありますが、どなたか分かりやすく説明していただけないでしょうか？お願いします。
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http://ja.wikipedia.org/wiki/コーヒーサイフォン http://www.1jb.jp/siphon.htm こういったサイトを参考にしてみてはいかがでしょうか？ もしくは、こだわらなければ1万円以内でサイフォンのセットは購入できるはずですので、自分で目で見て実験するのもオススメです。 楽しいですよ♪
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- herabuna12
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>皆さんがサイフォンのはたらきについて抱く疑問の中心点は、この「液体をいったん高所まで上げて」という現象がなぜ起こるのかということであろうと思われます。そして、高所まで上げるのが大気圧だとしても、その大気圧は高いほうの水面にも低いほうの水面にもはたらいているのだから、どちらの水も高所まであがろうとするはずで、上がってきた両方の水がその高所でぶつかって動かないのではないだろうか、という疑問を持ったりはしないのでしょうか。 >私は、何かのはたらきで水が高所まで持ち上げられるという考え方に異議をとなえたいのです。 サイフォンを実際に行ったことがありますか? 大気圧にこだわっておられるようですが、「ないとあのような現象は起こらない」というだけです。 単にエネルギー保存の法則です。ややこしくなるだけなので、これ以上は言いませんが。 No.9さん、補足ありがとうございます。 「真空が水を吸い上げる」は言いすぎでしたが、イメージをつかんでもらえば、と思ってあのような表現にしました。 一番いい説明はベルヌーイの連続式ですが、ちょっと長くなるし、使えない文字もあるので省略していました。
＃５＃７を書き込んだ者ですが、どうも途中の説明を省略して端的に結論だけ申し上げたので誤解を招き、いい加減なことを言うなととお叱りを受けましたので、少し詳しく私の考えを申し上げます。 最初の質問にはこうあります。 ＞大気圧を利用して、液体をいったん高所まで上げて低所に移すために使う曲管 皆さんがサイフォンのはたらきについて抱く疑問の中心点は、この「液体をいったん高所まで上げて」という現象がなぜ起こるのかということであろうと思われます。そして、高所まで上げるのが大気圧だとしても、その大気圧は高いほうの水面にも低いほうの水面にもはたらいているのだから、どちらの水も高所まであがろうとするはずで、上がってきた両方の水がその高所でぶつかって動かないのではないだろうか、という疑問を持ったりはしないのでしょうか。 私は、何かのはたらきで水が高所まで持ち上げられるという考え方に異議をとなえたいのです。 私の考え方は＃９の ＞鎖のモデルがいいと思ったのは大気圧が水を押し上げているからではなくて反対側の水が引っ張っているからというイメージで説明できるからです とまったく同じです。 ここで培風館の物理学辞典のサイフォンの項を引用しますと ＞液体を満たした曲管を図（略）のように倒立させ、両端での圧力の差を利用して液体を取り出す装置（以下略） では両端での圧力差はどうなるのでしょう。 文章ではややこしくなるので数式を使わせてください。 大気圧をｐ 水の密度をρ 重力加速度をｇ 高いほうの水面から曲管の高所までの高さをｈ 低いほうの水面からの高さをＨ とします（ｈ＜Ｈ） 高いほうの水面の曲管内の圧力は ｐ－ρｇｈ 低いほうの水面の曲管内の圧力は ｐ－ρｇＨ 圧力の差は （ｐ－ρｇｈ）－（ｐ－ρｇＨ）＝ρｇ（Ｈ－ｈ） ここで私が言いたいのは、大気圧の数値は消去されてしまう、つまり大気圧は曲管内の水を動かす力ではなくなるということです。 水を動かすのはρｇ（Ｈ－ｈ）すなわちふたつの水面の高低差間にある水が持つ位置のエネルギーです。 平たく言えば、曲管の両側に長い水柱と短い水柱があり、どちらも重力で下に落ちようとするが、長い水柱のほうの落ちようとする力のほうが大きいので、短いほうはそれに引きずられていったん高所まで上がっていってしまうのです。 大気圧が水柱が切れないようにしているかどうかということは二義的な問題であると思います。 私も＃９の真空に対する考え方に賛成です。真空が吸い上げるなどという表現の使用は、真空掃除機のＣＭぐらいにしておいたほうがよいと思います。 なおｗｉｋｉでは、サイフォンではエネルギーを使うことなく水が移動しているかのような表現がありますが、それもどうかと思いますね。
- ht1914
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＃３、＃４です。 ＃８様、補足ありがとうございます。 水がちぎれないと言ってから鎖のモデルに入りました。水はちぎれないというところに大気圧が関係するとちょこっと触れておけばよかったかなと思っています。 大気圧との関係はサイフォンの原理とは別に水がちぎれないということだけにしぼって説明するのがいいだろうと思っています。一緒に説明すると長くなります。簡単に言おうとすると誤解を生む表現になる可能性があります。 ちぎれないという説明の一つが 「もしちぎれたとしたら～」というものです。これは「だからちぎれるということは起こらない」という結論になります。 Ｕ字パイプに水を入れて逆さまにすると右左に別れて落ちずに片方に全部落ちてしまいます。鎖のイメージと合います。 鎖のモデルがいいと思ったのは大気圧が水を押し上げているからではなくて反対側の水が引っ張っているからというイメージで説明できるからです。 サイフォンの中で大気圧を説明に使ってしまうと ＞ホースの中で高いところから低いところに流れる場合、真空状態ができます。その力(負圧)によって、高所まで水を吸い上げているのです。 という風に書いてしまいそうになります。 でも一旦真空が出来てそれを埋めるように水が吸い上げられるというイメージになると「？」です。鎖が切れたりつながったりしているという誤解を生じます。 参考に挙げて頂いたｗｉｋｉでは「真空が生じないように・・・」となっています。このような擬人的なニュアンスのある表現は好ましくないと思います。でも釣り合いの考え方で丁寧に書くと長くなりますね。 ｗｉｋｉの中の引用の部分で次のような文章を見つけました。 ＞Note that the cause of the siphon flow is not air pressure, which is greater at the surface of the lower container! ＃５のご回答と関係があるかもしれません。 （上に引用した英文の内容は不親切です。「大気圧ではない」というところを「大気圧だけではない」として貰うといいでしょう。）
- herabuna12
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分野でいうと、水理学の中に入ります。 >昔からある誤解なのですが、サイフォンには大気圧は関係ありません。 関係あります。NO.3さんの例の中では鎖をつなげているのが大気圧です。 大気圧がなければ鎖は繋がりません。いい加減なことを言わないで下さい。 理論上地表付近では、水銀は76cm、水なら10mくらいは可能です。 管水路の損失水頭などによって変動します。 詳しく知りたいのなら「ベルヌーイの定理」が良いでしょう。 サイフォンは圧力差によって水を動かすものなので、コーヒーサイフォンも勿論関係あります。 簡単に言うと、 水は高いほうから低いほうに流れます。 ホースの中で高いところから低いところに流れる場合、真空状態ができます。 その力(負圧)によって、高所まで水を吸い上げているのです。 コーヒーサイフォンに近いものは、中1でするアンモニアの噴水実験です。 また、炭酸水素ナトリウムの加熱実験で、加熱後に水の入った容器からガラス管を抜くというのもやりましたよね? 両方とも、気圧の差によって水を吸い上げています。 説明不足かもしれませんが、簡単に説明させていただきました。
私はコーヒーサイフォンという器具を使ったことが無いのですが、図で見る限り、質問されているサイフォンとは無関係のようですね。
実験では無く日常で見る物に(冬場の)石油ポンプ←一見、握りの所を操作して押し出して居るかに見えますが、サイフォン現象が始まって仕舞えば後は、力を加え無くても自然に流れて行きます。←但し外側のホースの先端がポリタンクの油面より低い位置で無いと当然サイフォン現象が止まってしまいます。
＞大気圧を利用して、液体をいったん高所まで上げて低所に移すために使う曲管・・・ ・・と辞書にはありますが その辞書の名はなんですか？ 昔からある誤解なのですが、サイフォンには大気圧は関係ありません。ANo.3のお答えの中にも大気圧は出てこないでしょう？
- ht1914
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＃３です。すみません。訂正です。 Ｌ＞２ａ＋ｂとなっていますが Ｌ＝２ａ＋ｂとして下さい。
- ht1914
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サイフォンではＵ型のパイプを用います。 この中に液体（水）をいっぱい詰めます。片方の端を水槽の中に入れます。他方の端を水槽の中の水面より低くします。水槽の中の水はパイプから流れ出てしまいます。パイプの中の水はちぎれることがありません。パイプの直径が大きくて流れの速さが小さいときは空気の泡が入ることがあります。その時はパイプの中の水がちぎれることになりますのでサイフォンにはなりません。 液面よりも外のパイプの端が低くなっているというところがポイントです。ちょうど外側に余分のおもりをぶら下げているのと同じになります。 別のモデルで考えてみましょう。（図を書くといいのですが言葉で説明しますので図にしてみて下さい。） 鎖と滑車を用意します。（装飾用の細くて長い鎖がいいと思います。）滑車に鎖をかけます。滑車の両側での長さに違いがあると長い方に落ちてしまいますね。 滑車を机の右端に取り付けます。机の上の面から滑車の上の端までの高さをａとします。鎖の長さをＬとします。Ｌ＞２ａ＋ｂとします。 鎖を滑車にかけて鎖の右側の端を机の面に合わせます。余っているｂの部分（左側の部分）は机の上にあります。鎖の左側の方が重たいですが机の上にあるので落ちません。ぶら下がっている部分で釣り合っています。鎖の右端を少し机の面よりも低くします。鎖は右側に落ちてしまいます。右の方が軽いのですが右側に落ちてしまいます。 ｂの部分が水槽の中の水だと思って下さい。机の面が液面に対応します。 わかりますでしょうか。
- koz7291
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言葉で説明するよりも絵の方がわかりやすいと思いますので。 http://www2.hamajima.co.jp/~tenjin/labo/siphon.htm http://www.geocities.jp/kagakulabo/l.html http://www.j-muse.jp/study/kousaku/kousaku_siphon/siphon2.html http://jvsc.jst.go.jp/live/arch/people/kurashi/q01.htm いずれも、水(液体)が高いほうから低いほうに流れていきます。このときに、いったん液面より高いところを経由します。お風呂場で洗面器を二つ使って、どこかでゴムホースを調達して(化学の実験室にならどこにでも転がっているのでそれを切って持って帰るのが手っ取り早いかもしれません)、実験してみるとよくわかります。ポイントは、ゴムホースの中を水で満たすことです。おもしろいように水が流れていきます。
お礼
回答をくださった皆様へ ありがとうございました。 お礼が遅くなってしまい、申し訳ありません。 おひとりおひとりにお礼をさせていただくべき・・・とは思うのですが、ここでまとめてお礼させていただきます。