با نی سیفون بسازید

هم‌نشینی با علم > یک تجربه > با نی سیفون بسازید

تاریخ انتشار: ۲۰ آذر ۱۳۹۹

problem

چطور با استفاده از یک نی تاشو آبِ داخل لیوان را به ظرفِ کنار آن منتقل کنیم؟ با مکیدن هوای داخل نی؟ اگر به جای آب، یک مایع آلوده یا سمّی داشتیم چطور؟

با نی تاشو سیفون ساده‌ای می‌سازیم و با طرز کار و فایده‌ی سیفون‌ها آشنا می‌شویم.

دست به کار شوید!

۱

این وسایل را آماده کنید:

  • نی تاشو
  • یک لیوان بلند
  • یک ظرف کوتاه‌تر از لیوان
  • آب

۲

نی را از طوری تا کنید که وقتی طرف بلندترِ آن در لیوان است، قسمت تاشده‌ روی لبه‌ی لیوان بایستد.

اگر لازم است با قیچی قدری آن را کوتاه کنید.

۳

لیوان را تا نزدیکی لبه پر از آب کنید.

۴

با انگشت انتهای کوتاه‌ترِ نی را ببندید و انتهای بلندتر را به‌سرعت داخل لیوان بگذارید.

۵

انگشتتان را بردارید تا سیفون شروع به کار کند.

جریان آب تا چه زمانی ادامه پیدا می‌کند؟ چه کار کنیم تا آب بیشتری منتقل شود؟

اگر طرف کوتاه‌ترِ نی را در لیوان بگذاریم آب بیشتری در ظرف می‌ریزد یا کمتر؟

اگر در لیوان آب کمتری بریزید چه می‌شود؟

اگر نی سوراخ باشد چه می‌شود؟

چطور اتفاق افتاد؟

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.

 

User:Tomia, CC BY-SA 3.0, via 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، 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. سرعتش 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.

جالب است بدانید…

در زیر سینک‌های ظرفشویی و محل تخلیه آب توالت فرنگی از سیفون استفاده می‌شود. وقتی که دکمه فلاش توالت را می‌زنید یا دستگیره آن را می‌کشید، حجم زیادی از آب به‌یکباره خارج می‌شود و بعد از عبور از کاسه توالت، وارد سیفون یا همان لوله خمیده‌ای می‌شود که در زیر کاسه قرار دارد. آبی که از مخزن خارج می‌شود فشار بسیار زیادی دارد و به همین دلیل سیفون (در نقطه ۴ در شکل زیر) وارد عمل می‌شود و با مکیدن سریعِ آب، کاسه دستشویی را تمیز می‌کند.

 

با خالی شدن مخزن فلاش، شناور مخزن (دایره شماره ۶ در شکل بالا) به سمت پایین می‌آید، دریچه ورودی (شماره ۷) باز و آب وارد مخزن می‌شود.

سیفون به غیر از تخلیه سریعِ آب فایده دیگری هم دارد. وجود لوله‌ی انحنادارِ سیفون در زیر چاه ظرفشویی یا توالت فرنگی باعث می‌شود همیشه مقداری آب در آن باقی بماند و هیچ وقت بطور کامل تخلیه نشود. در نتیجه میکروب‌ها و بوهای ناخوشایند نمی‌توانند از لوله وارد فضای آشپزخانه یا دستشویی شوند.

SouthHamsian, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

اثر سیفونی را علاوه بر مثال‌های بالا در موارد بسیار زیاد دیگری هم می‌توان مشاهده کرد یا به‌کار گرفت. مثلاً در آبیاری مزارع، برای آنکه مقدار کنترل‌شده‌ای از آب را از روی دیوار گودال‌های آب رد کنند و به شیارهای شخم‌زده برسانند از سیفون استفاده می‌کنند.

Hullwarren, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons