با نی سیفون بسازید

در این آزمایش برای انتقال آب یک سیفون ساده ساختیم. سیفون‌ها در جاهای مختلفی کاربرد دارند. از آبیاری مزارع تا دستشویی خانه‌های ما! سیفون در واقع یک لوله به شکل U وارونه است که برای انتقال مایع از یک مخزن در ارتفاع بالاتر به محلی در ارتفاع پایین‌تر به‌کار می‌رود و یک ویژگی مهم دارد: ابتدا مایع به ارتفاعی بالاتر از سطح مخزن می‌رود و بعد به محل مورد نظر می‌ریزد.

منبع تصویر: Wikimedia Commons

–

برای آنکه سیفون‌ها بتوانند کارشان را شروع کنند، باید بر گرانش (جاذبه) زمین غلبه کنند تا مایع را به سطحی بالاتر از سطح مخزن برسانند. برای شروع به کارِ سیفون‌ها از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. در همه‌ی این روش‌ها تلاش می‌کنند به مایع سرعت زیادی بدهند تا بتواند رو به بالا حرکت کند. یکی از این روش‌ها را شاید دیده باشید: وقتی که برای کشیدن بنزین از باک اتومبیل، هوای درون شلنگ را می‌مکند. البته این کار بسیار خطرناک است، چون حتی اگر بنزین وارد دهان نشود، بخارات آن حتماً وارد سیستم تنفسی می‌شود.

در این آزمایش وقتی که یک سر نی را با انگشتتان می‌بندید، مقداری هوا در نی می‌ماند و نمی‌تواند خارج شود. این هوا جلوی آب را می‌گیرد و آب لیوان نمی‌تواند وارد نی شود. وقتی انگشتتان را برمی‌دارید چیزی مانع آب نیست و به سرعت وارد نی می‌شود و هوایی که در نی گرفتار شده بود از طرف دیگر به‌سرعت خارج می‌شود و آب هم با سرعت از نی خارج می‌شود. سرعت خروج آب به قدری است که بتواند از بخش تاشده‌ی نی هم رد شود و به پایین بریزد. هر چه بیشتر در لیوان آب بریزید، مسیری که آب باید رو به بالا برود کوتاه‌تر است و سیفون راحت‌تر شروع به کار می‌کند.

بعد از برقرار شدن جریانِ مایع، سیفون بدون مصرف انرژی و به‌طور پیوسته به کارش ادامه می‌دهد، تا جایی که مایع در مخزن، با مایع در خروجی لوله‌ی سیفون هم‌سطح شود. در چنین شرایطی جریان آب متوقف می‌شود و می‌گوییم سیستم به «تعادل» رسیده است.

اگر طول نی در قسمتی که بیرون لیوان است بلندتر شود آب بیشتری خارج می‌شود، چون سطح آب می‌تواند پایین‌تر بیاید و اگر زیر لیوان آب پایه بلندی بگذارید تا خروجیِ سیفون به‌اندازه‌ی کافی پایین باشد، تمام آبِ لیوان می‌تواند خالی شود.

چرا سیفون به کارش ادامه می‌دهد؟ پاسخ در اختلاف فشار بین دو بازوی سیفون است. این اختلاف فشار مایع در اثر اختلاف ارتفاع نسبت به زمین یجاد می‌شود. اگر سطح مایع در مخزن و خروجی سیفون یکسان باشد این اختلاف فشار ایجاد نمی‌شود و سیفون کار نمی‌کند. نیروی گرانش زمین این اختلاف فشار را ایجاد می‌کند تا سطح هر دو مایع را مانند هم کند. به همین دلیل عملکرد سیفون همیشه طوری است که جهت خالصِ جریانِ مایع از بالا به پایین باشد. هیچ سیفونی نمی‌تواند بدون نیروی خارجی، مایع را از سطح پایین به بالا ببرد.

کارایی سیفون به مایعی که جابه‌جا می‌کند هم بستگی دارد (مثلاً ماسه را نمی‌توان با سیفون پایین فرستاد!). آب جریان پیوسته‌ای دارد و اگر در مسیر آن مانعی باشد که پیوستگی آن را از بین ببرد (مثل نشت هوا از اطراف سوراخ‌ها در این آزمایش)، سیفون کار نمی‌کند