ホースの途中は水面より高いのに、水が容器の外へ流れ続ける。サイフォンの図を見ると、「水は低い所へ流れるはずなのに」と迷うかもしれません。注目するのは、ホースの山の高さだけではありません。水を送り出す容器の水面と、流れ出る先の高さを比べてください。
ここでは、両端が大気に通じ、管内が水で満たされている普通のサイフォンを考えます。出口が空中に開いているなら、出口が送り出す側の水面より低いとき、流れが続く条件になります。途中の上り坂だけを切り取らず、水が出発して到着するまでの高低差で見るのが出発点です。
容器の底ではなく、水面に線を引く
図に容器が二つあっても、大きさや底の位置を見比べるだけでは判断できません。まず水面に水平な補助線を一本引きます。次にホースの出口へ印を付け、その線より上か下かを調べます。出口が容器の底より高くても、水面より低ければ、流れが続く場合があります。
なぜなら、水の高さの差が、流れを生むエネルギーのもとになるからです。管の中では圧力の違いによって水が押され、下る側では重力も働きます。大気圧は通常の実験の圧力条件に関係しますが、両方の水面に同じようにかかるため、「大気圧が片方だけを押す」と考えると説明が崩れます。
水でつながった道を、最初に用意する
空のホースを山形に置くだけでは、普通は水が山を越えて流れ始めません。あらかじめ管を水で満たしておくなど、連続した水の通り道を作る必要があります。高低差があれば、どんな準備でも自動的に始まる、というわけではないのです。
途中へ空気が入り、水のつながりが切れれば、流れは止まることがあります。取水口が水面から出た場合も同様です。問題文に「管の中は水で満たす」とあれば、飾りの条件と思わず線を引いておきましょう。水面と出口の位置が正しくても、この条件が欠ければ同じ結果にはなりません。
実際に確かめる場合は、清潔な水と小さな容器で、周りをぬらしてもよい場所を使います。ホースを口で吸って始める必要はありません。管を水中で満たす方法を大人と確認すれば、口に水を入れずに準備できます。薬品を移す実験へ置き換えることはしません。
出口が水に沈んでいる場合は、比べる相手が変わる
流れ出る側のホースが、受ける容器の水中に入っている図もあります。この場合は、送り出す側と受ける側の二つの水面の高さを比較します。出口の先端だけを低くしても、受ける側の水面が高ければ、それを無視して低い方へ流れるとは言えません。
流れが落ち着くまで考える簡単な模型では、両側の水面が同じ高さに近づくと、流れを生む高さの差がなくなります。ただし、その前に取水口が露出すればそこで止まります。図を一枚だけ眺めるより、「水が移った後の水面」を少し描き足すと、止まり方を予想できます。
例題1｜出口は容器の底より高いけれど？
水面の高さは床から40cm、容器の底は10cmです。水で満たしたホースの取水口は水中にあり、空中へ開いた出口は床から25cmにあります。管の最高点は50cmで、この装置では水の連続が保たれるものとします。水面と出口の高さの差は何cmですか。出口が底より高いことだけで、流れないと判断できますか。
答え・解説： 高さの差は40−25＝15cmです。底との比較だけで流れないとは判断できません。出口は送り出す水面より低く、問題の条件ではサイフォンの流れが続きます。最高点の50cmから25cmを引いた25cmを、流れ全体の出発点と終点の差にしないでください。
例題2｜両方の管の先が水中にあるとき
同じ水を入れた容器AとBを、水で満たした管でつなぎます。両方とも水面は空気に触れ、管の先は水中です。初めの水面はAが床から35cm、Bが20cmでした。管内の水が切れず、取水口も露出しないとします。初めはどちらへ流れますか。また、B側の管の先を深くすれば、水面が同じ高さになっても流れ続けますか。
答え・解説： 初めはAからBへ流れます。比べる高さの差は35−20＝15cmです。先端を深くしても、静まった二つの水面が等しい状態から、同じ向きに流れ続ける理由にはなりません。水中の先端には、その深さに応じた水圧がかかることも含めて考えます。
「山を高くすれば、よく流れる」は違う
サイフォンは、管の山を高くするほど得をする装置ではありません。最高点では圧力が低くなりすぎると水のつながりを保てなくなります。持ち上げられる高さには限りがあり、管の抵抗や曲がり方も流れに影響します。山の高さを増やす操作と、水面から出口までの落差を増やす操作を分けましょう。
図へ書き込む数字は、出発する水面、出口または受ける水面、そして管の最高点の三つです。同じ「高さ」でも役割は異なります。どの二つの差を使ったかを、引き算の前に線で示すだけで、見た目に引っ張られた答えを減らせます。
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