サイフォン
サイフォン原理

飛翔液滴サイフォンでは、密閉された空気で満たされたチャンバー内で、表面張力によって液体の流れが個々の液滴に引き寄せられ、下降する液体と上昇する液体の接触が妨げられるため、液体の張力による液体の上昇が妨げられます。また、入口における大気圧の影響が、出口における同じ大気圧によって打ち消されないことも示しています。

サイフォン（古代ギリシャ語のσίφων ( síphōn ) 「管、パイプ」に由来。syphonとも綴られる）は、液体を管を通して流す様々な装置の総称である。狭義には、特に逆U字型の管を指す。この管は、ポンプを必要とせず、重力によって管を流れ落ちる液体の落下力を利用して、貯水池の水面より上方に液体を流し、貯水池の水面よりも低い位置から排出する。  

サイフォンがどのようにしてポンプで汲み上げられることなく重力のみで液体を重力に逆らって上流へ流すかについては、2 つの主要な理論があります。何世紀にもわたる伝統的な理論では、サイフォンの出口側で重力が液体を引き下げることで、サイフォンの上部の圧力が低下します。次に大気圧が、気圧計やストローのように、上部のリザーバーからサイフォン上部の圧力低下した部分へ液体を押し上げ、その後、液体が越境するというものでした。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]しかし、サイフォンは真空中でも動作できることが実証されています[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]また、液体の気圧高度を超える高さまで動作することも実証されています[ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]その結果、液体がチェーン ファウンテンと同様にサイフォンを越えて引っ張られるとする、サイフォン動作の凝集張力理論が提唱されています。[ 9 ]どちらかの理論が正しい必要はなく、むしろ周囲の圧力が異なる状況では両方の理論が正しい可能性があります。大気圧と重力の理論は、有意な大気圧が存在しない真空中のサイフォンを説明できません。また、凝集張力と重力の理論は、二酸化炭素ガスサイフォン、[ 10 ]気泡があるにもかかわらず作動するサイフォンや、気体が大きな牽引力を及ぼさず、接触していない液体が凝集張力を及ぼさない飛翔液滴サイフォンを説明できません。

現代において知られているすべての理論では、ベルヌーイの方程式が、理想的な摩擦のないサイフォンの動作に対する適切な近似値であると認識されています。

歴史

パスカルのサイフォンは、水の入った容器の中に水銀の入ったビーカーが2つ入っている。これは、サイフォンが大気圧によって機能することを示すものであり、「自然は真空を嫌う」ということを示すものではない。

紀元前1500年のエジプトのレリーフには、大きな貯蔵瓶から液体を汲み出すために使われたサイフォンが描かれている。 [ 11 ] [ 12 ]

ギリシア人がサイフォンを使用していたことを示す物的証拠としては、紀元前6世紀のサモス島にあるピタゴラスの正義の杯と、紀元前3世紀のペルガモンでギリシャの技術者が使用したものがある。[ 12 ] [ 13 ]

アレクサンドリアのヘロンは、論文『プネウマティカ』の中でサイフォンについて広範囲に渡って著した。[ 14 ]

9世紀のバグダッドのバヌ・ムーサ兄弟は二重同心サイフォンを発明し、その発明を著書『独創的な装置の書』に記している。[ 15 ] [ 16 ]ヒルが編集した版には二重同心サイフォンの分析が含まれている。

サイフォンは17世紀に吸引ポンプ（および当時開発されたばかりの真空ポンプ）との関連でさらに研究が進められ、特にポンプ（およびサイフォン）の最大高さと初期の気圧計上部の見かけの真空状態を理解することに焦点が当てられました。これは当初、ガリレオ・ガリレイによって、アリストテレスに遡るhorror vacui （「自然は真空を嫌う」）理論によって説明され、ガリレオはこれをresintenza del vacuum （真空を嫌う）と言い換えましたが、その後、エヴァンジェリスタ・トリチェリやブレーズ・パスカルといった後代の研究者によって反証されました[ 17 ]。気圧計の歴史を 参照してください。

理論

実用的なサイフォンは、一般的な大気圧と管の高さで作動し、高い方の液柱が重力で引き下げられることでサイフォン上部の圧力が低下する（正式には、液体が動いていないときの静水圧）ため機能します。この上部の圧力低下により、低い方の液柱が重力で引き下げられても、大気圧に逆らって液体を静止させておくのに十分ではなく、サイフォン上部の減圧ゾーンに液体を押し上げます。そのため、液体は上部貯水槽の高圧領域からサイフォン上部の低圧ゾーンに上昇し、上部を越えて、重力と高い液柱の助けを借りて、出口の高圧ゾーンに下降します。[ 2 ] [ 18 ]

「B」セクションが「A」セクションより重いため下に引っ張られるチェーンモデルは、サイフォンの動作に対する欠陥のある有用な類推です。

チェーン モデルはサイフォンの概念モデルとして便利ですが、完全に正確というわけではありません。チェーン モデルは、サイフォンが重力の下向きの力のみで液体を上流に流す仕組みを理解するのに役立ちます。サイフォンは、鎖が滑車にかかっていて、鎖の一方の端がもう一方の端よりも高い場所に積み重ねられていると考えることができます。短い側の鎖は高い側の鎖よりも軽いため、高い側の重い鎖が下に移動し、軽い側の鎖を引き上げます。サイフォンと同様に、チェーン モデルは明らかに重い側に作用する重力によって駆動されており、サイフォン内の液体のように、鎖は最終的に高い場所から低い場所に移動しているだけなので、エネルギー保存則に違反することはありません。

軽い下肢がCからDに落ちるだけでも、重い上肢の液体が流れ上がり、下部の貯水槽に流れ込む可能性がある[ 19 ]

サイフォンの連鎖モデルには多くの問題があり、これらの違いを理解することはサイフォンの実際の動作を説明するのに役立ちます。まず、サイフォンの連鎖モデルとは異なり、重要なのは実際には高い側の重量と短い側の重量を比較したものではありません。むしろ、圧力のバランスを決定するのは、貯留層の表面からサイフォンの上部までの高さの差です。たとえば、上部の貯留層からサイフォンの上部までの管の直径が、下部の貯留層からサイフォンの上部までの高い管の部分よりもはるかに大きい場合、サイフォンの上部の短い部分にははるかに多くの液体が入っている可能性がありますが、下側の管の軽い液体がより太い上側の管に液体を引き上げることができ、サイフォンは正常に機能します。[ 19 ]

もう一つの違いは、ほとんどの実用状況において、溶存ガス、蒸気圧、そして（場合によっては）管壁との接着力の欠如が相まって、液体内部の引張強度がサイフォン作用に効果を及ぼさないことです。したがって、大きな引張強度を持つ鎖とは異なり、液体は通常、典型的なサイフォン条件下では引張強度がほとんどないため、上昇側の液体は、鎖が上昇側で引き上げられるのと同じようには引き上げられません。[ 7 ] [ 18 ]

サイフォンに関して時々誤解されるのは、液体を上昇させるために液体の張力を利用しているというものです。 [ 2 ] [ 18 ]いくつかの実験（ Z管など[ 20 ] ）では水に大きな張力があることがわかっており、真空中のサイフォンはそのような凝集力を利用しています。しかし、一般的なサイフォンは機能するために液体の張力を全く必要としないことは簡単に実証できます。[ 7 ] [ 2 ] [ 18 ]さらに、一般的なサイフォンはサイフォン全体が正圧で動作するため、分子は実際には圧力に抵抗するために互いに反発しており、引っ張っているわけではないため、液体の張力の寄与はありません。[ 7 ]

エアスタートサイフォン。液体の柱がCからDに落ちると、上部の貯水槽の液体はBまで上昇し、上部から溢れ出る。[ 2 ] [ 18 ]液体を引き上げるのに液体の引張力は必要ない。

これを実証するために、一般的なサイフォンの長い方の下側の脚の底を塞ぎ、図のようにほぼ頂上まで液体を満たします。上側と短い方の上側の脚は完全に乾燥しており、空気だけが含まれています。プラグを取り外し、長い方の下側の脚の液体を落とすと、通常、上部のリザーバーの液体が気泡を管から押し流します。その後、装置は通常のサイフォンとして動作し続けます。この実験の開始時にはサイフォンの両側の液体が接触していないため、液体分子間に凝集力が生じず、液体を上昇部を越えて引っ張ることはできません。液体引張強度理論の支持者によると、エアスタートサイフォンはサイフォンの開始時にのみ効果を示し、気泡が押し流されてサイフォンが定常流に達した後は状況が変化すると示唆されています。しかし、同様の効果は飛翔液滴サイフォンでも見られます（上記参照）。飛翔液滴サイフォンは、液体の引張力によって液体が引き上げられることなく、連続的に作動します。

飛沫サイフォンでトロピカルフルーツパンチを吸い上げる実演

ビデオデモのサイフォンは、上部のリザーバーが空になるまで28分以上安定して作動しました。サイフォンに液体の引張強度が必要ないことを示すもう一つの簡単なデモンストレーションは、作動中にサイフォン内に気泡を発生させることです。気泡は、気泡の前後のチューブ内の液体を完全に分離するほどの大きさであっても、液体の引張強度を無効化します。しかし、気泡が大きすぎなければ、サイフォンは気泡を押し出すことでほとんど変化なく作動を続けます。

サイフォンに関するもう一つのよくある誤解は、入口と出口の大気圧が実質的に同じであるため、大気圧が相殺され、したがって大気圧がサイフォン内の液体を押し上げることはないというものです。しかし、等しく反対方向の力であっても、どちらかの力の一部または全部に対抗する介在力がある場合、完全に相殺されない可能性があります。サイフォンでは、入口と出口の大気圧は、それぞれの管内の液体を引き下げる重力によって両方とも減少しますが、下側の圧力は、下側のより高い液体柱によってさらに減少します。つまり、下側から上昇する大気圧は、上側を押し上げる大気圧を完全に打ち消すほどには上まで「到達」しないのです。この効果は、2台のカートが丘の反対側から押し上げられている例でより容易に確認できます。図に示されているように、左側の人の押す力は右側の人からの等しく反対方向の押す力によって完全に打ち消されているように見えますが、左側の人の打ち消されたように見える押す力は、依然として左側のカートを押し上げる力の源となっています。

一見相殺し合うように見える等しく反対方向の力ですが、左からの力は相殺されても物体を押し上げます。これは、サイフォンの両端に等しく反対方向の大気圧がかかっているように見えるにもかかわらず、大気圧が液体を押し上げる力を維持するのと同じです。（車は互いに固定されていないため、引っ張るのではなく、押し上げるだけです。）

状況によっては、サイフォンは大気圧がない場合でも引張強度によって機能します (真空サイフォンを参照 )。このような状況では、連鎖モデルが役立ちます。さらに、他の状況では、張力によって水の輸送が起こり、維管束植物の木部における蒸散引力で最も顕著になります。[ 2 ] [ 21 ]水やその他の液体には引張強度がないように見える場合があります。これは、一握りですくい上げて引っ張ると、液体が簡単に狭くなって離れてしまうためです。しかし、サイフォンでの液体の引張強度は、液体が管壁に付着して狭まるのに抵抗するときに可能になります。グリースや気泡などの管壁の汚れ、または乱流や振動などのその他の小さな影響により、液体が壁からはがれて引張強度が完全に失われることがあります。

より詳細には、静水圧が静的サイフォンを通じてどのように変化するかを見ることができます。これは、上部の貯水池からの垂直チューブ、下部の貯水池からの垂直チューブ、およびそれらを接続する水平チューブ（U 字型を想定）を順に考慮することです。上部の貯水池の液位では、液体は大気圧下にあり、サイフォンを上るにつれて、水を押し上げる大気圧の重さがサイフォン内の水柱による押し下げによって釣り合うため（垂直圧力変化下）、静水圧は低下します（気圧計/サイフォンの最大高さに達するまで、その時点では液体をそれ以上押し上げることはできません）。チューブの上部の静水圧は、チューブの高さに比例する量だけ大気圧よりも低くなります。下部の貯水池から上昇するチューブで同じ分析を行うと、その（垂直）チューブの上部の圧力が得られます。この圧力が低いのは、管が長い（押し下げる水量が多い）ためであり、下側の貯水槽を上側の貯水槽よりも低くする必要がある。より一般的には、排出口が上側の貯水槽の水面よりも低ければよい。ここで、これらを接続する水平管について考えると、上側の貯水槽からの管の上部の圧力は高く（持ち上げられる水量が少ないため）、下側の貯水槽からの管の上部の圧力は低く（持ち上げられる水量が多いため）、液体は高圧から低圧へと移動するため、液体は水平管を通って上側の容器から下側の容器へと流れる。液体は管全体にわたって正圧（圧縮）下にあり、張力下ではない。

ベルヌーイの式は、科学文献においてサイフォンの作用の妥当な近似式と考えられています。非理想流体においては、作動流体（または複数の流体）の圧縮率、引張強度、その他の特性によってベルヌーイの式は複雑になります。

サイフォンは一度作動を開始すると、液体を貯水槽から排出し続けるために追加のエネルギーを必要としません。サイフォンは貯水槽の水位が取水口より下がって空気や周囲のガスによってサイフォンが破られるまで、またはサイフォンの出口が貯水槽の水位と等しくなるまで、貯水槽から液体を排出します。どちらか早い方で、サイフォンは取水口より下がって空気や周囲のガスによってサイフォンが破られるまで、またはサイフォンの出口が貯水槽の水位と等しくなるまで、液体を排出します。

大気圧、液体の密度、重力に加えて、実際のサイフォンの波頭の最大高さは、液体の蒸気圧によって制限されます。液体内の圧力が液体の蒸気圧以下に下がると、高い地点で小さな蒸気の泡が形成され始め、サイフォン効果がなくなります。この効果は、液体がいかに効率的に泡を核生成できるかによって決まります。泡の核生成が容易な場所となる不純物や粗い表面がない場合、泡の核生成に長時間かかる間、サイフォンは一時的に標準の最大高さを超えることがあります。脱気した水のサイフォンでは、長時間にわたって 24  m (79 フィート)まで到達することが実証されています[ 8 ]。また、他の制御された実験では 10  m (33フィート)まで到達することが実証されています[ 22 ] 。標準大気圧の水の場合、サイフォンの最大高さは約 10 m (33 フィート) です。水銀柱の場合、それは76cm（30インチ）であり、これが標準圧力の定義です。これは、同じ原理で動作する吸引ポンプの最大高さに相当します。 [ 17 ] [ 23 ]高さの比（約13.6）は、水と水銀の密度の比（所定の温度において）に等しくなります。なぜなら、水柱（または水銀柱）は大気圧を生み出す空気柱とバランスをとっており、実際、最大高さは（蒸気圧と液体の速度を無視すると）液体の密度に反比例するからです。

サイフォンの働きに関する現代の研究

1948年、マルコム・ノークスは大気圧と部分真空の両方で作動するサイフォンを調査し、真空中のサイフォンについて次のように結論付けた。「吸い上げ管内の液柱にかかる重力と吸い上げ管内の重力を差し引いたものが液体を動かす。したがって、液体は張力を受け、縦方向の歪みを受けるが、外乱要因がなければ液柱を破壊するには不十分である」。しかし、大気圧下で作動する吸い上げ高さの低いサイフォンについては、「…液柱の張力は、液柱の両端にかかる大気の圧縮効果によって中和され、反転する」と記している。 [ 7 ]

エディンバラ大学のポッターとバーンズは1971年にサイフォンを再研究しました。彼らはサイフォンの理論を再検討し、大気圧下でのサイフォンの実験を行いました。彼らは次のように結論付けました。「豊富な伝統にもかかわらず、サイフォンの基本的なメカニズムは大気圧に依存しないことは、今では明らかであるはずだ。」[ 24 ]

2010年、クイーンズランド工科大学のヒューズ氏は、重力、圧力、分子凝集力に焦点を当てた研究を行いました。彼は大気圧下のサイフォンを用いて、「サイフォンの底から出る水の流れは、流入部と流出部の高さの差に依存するため、大気圧には依存しない」という結論に達しました。 [ 21 ] ヒューズ氏は2011年にも大気圧下のサイフォンに関するさらなる研究を行い、「上記の実験は、大気圧下の一般的なサイフォンが大気圧ではなく重力によって作動することを示しています」と結論付けました。[ 25 ]

2011年、研究者のラメットとラメット親子は、空気圧下で二酸化炭素を吸い上げることに成功し、サイフォンの作動には分子凝集力は必要ないという結論に至った。しかし、次のように述べている。「サイフォンの作用の基本的な説明は、管が満たされると、長辺側の流体の重力が短辺側の流体の重力よりも大きいため、流れが開始されるというものです。これにより、サイフォン管全体で圧力降下が生じます。これは、ストローを吸うと、吸い込み口までの圧力が下がるのと同じです。吸い込み口の周囲の大気圧は、圧力低下に反応して流体を押し上げ、流れを維持します。ミルクシェイクでストローを吸い込む時のように。」[ 1 ]

2011年にも、リチャートとバインダー（ハワイ大学）はサイフォンを調査し、分子凝集力はサイフォンの動作には必要なく、重力と圧力差に依存していると結論付け、「サイフォンの長い脚に最初に注入された流体が重力によって流れ落ちると、部分的な真空状態が残り、高い容器の入口点に圧力がかかり、その側の脚を通って流体が押し上げられる」と記した。[ 2 ]

ノッティンガム大学のボートライト、パティック、ライセンスの研究チームは、2011年に高真空下でサイフォンを動作させることに成功した。彼らは次のように記している。「サイフォンは主に大気圧の力によって駆動されると広く信じられている。サイフォンが高真空下でも機能することを示す実験が報告されている。分子凝集力と重力がサイフォンの動作に寄与する要因であることが示されており、正の大気圧の存在は必要ではない。」[ 26 ]

2011年にPhysics Todayに寄稿したミラーズビル大学のJ.ドゥーリーは、サイフォンが作動するためにはサイフォンチューブ内の圧力差と液体の引張強度の両方が必要であると述べています。 [ 27 ]

ハンボルト州立大学の研究者であるA・マクガイア氏は、2012年にサイフォン内の流れを調査しました。マクガイア氏は、高度な汎用マルチフィジックスシミュレーションソフトウェアパッケージLS-DYNAを用いて、サイフォン内の圧力初期化、流れ、圧力伝播を解析しました。彼は、「圧力、重力、分子凝集力はすべて、サイフォンの動作における駆動力となり得る」と結論付けました。[ 3 ]

2014年、ヒューズ氏とグルン氏（クイーンズランド工科大学）は、海面から11.9 km（高度39,000フィート（約10,000 メートル）でサイフォンを観測した。彼らは「上昇中も流量はほぼ一定であり、サイフォンの流量は周囲の気圧に依存しないことを示している」と指摘した。彼らはベルヌーイの式とポアズイユの式を用いて、サイフォン内の圧力差と流体の流れを調べた。結論は「上記の分析から、サイフォンに出入りする水分子の間には直接的な凝集結合が存在するはずである。これは、サイフォンの頂点の圧力が水の蒸気圧を超えるあらゆる大気圧において当てはまるが、イオン液体は例外である」というものである。[ 28 ]

実用的な要件

普通のチューブをサイフォンとして使用できます。液体の流れを開始し、サイフォンをプライミングするには、外部ポンプを使用する必要があります(家庭での使用では、十分な量の液体がチューブに充填されるまで人が吸入することによって行われることがよくありますが、これは、サイフォンで吸い込む液体によってはユーザーに危険をもたらす可能性があります)。これは、漏れのないホースを使用して、自動車のガソリン タンクから外部のタンクにガソリンを吸い込むときに行われることがあります。 (口でガソリンを吸い込むと、ガソリンを誤って飲み込んだり、肺に吸い込んだりすることが多く、死亡または肺の損傷を引き起こす可能性があります。 [ 29 ] ) チューブの一部を中間の高さより上に上げる前にチューブに液体が満たされ、チューブを上げている間チューブに液体が満たされているように注意すれば、ポンプは必要ありません。サイフォンとして販売されているデバイスには、サイフォン プロセスを開始するための サイフォン ポンプが付属していることが多いです。

用途によっては、必要以上に太すぎないサイフォンチューブを使用することが有効な場合があります。直径が大きすぎる配管を使用し、バルブや絞り配管を用いて流量を絞ると、前述の懸念事項である、頂部に溜まったガスや蒸気が真空状態を破るという影響が増大するようです。真空状態が過度に低下すると、サイフォン効果が失われる可能性があります。使用する配管のサイズを要件に合わせて小さくすることで、この影響を軽減し、頻繁な再プライミングや再起動を必要としない、より機能的なサイフォンを実現できるようです。この点において、容器への流入量と流出量を一致させる必要がある場合（例えば、小川から水が供給される池の水位を一定に保つため）、1本の太い配管を用いて流量を絞るよりも、必要に応じて始動できる2本または3本の小さな並列配管を使用する方が望ましいでしょう。

自動間欠サイフォン

サイフォンは、連続した細流や不規則な小さなサージフローを大きなサージボリュームに変換することが望ましい状況において、自動機械として使用されることがあります。一般的な例としては、頭上の小さな水タンク内の自動サイフォンによって定期的に小便器が洗浄される公衆トイレが挙げられます。タンクが満たされると、貯蔵されていた液体がすべて放出され、大きなサージボリュームとして現れます。その後、タンクはリセットされ、再び満水になります。この断続的な動作を実現する方法の1つとして、フロート、チェーン、レバー、バルブなどの複雑な機械が挙げられますが、これらは時間の経過とともに腐食、摩耗、または詰まりが発生する可能性があります。別の方法としては、剛性のパイプとチャンバーを使用し、サイフォン内の水自体を動作機構として使用する方法があります。

自動無人装置に使用されるサイフォンは、故障することなく確実に機能する必要があります。これは、一般的なデモ用の自動始動サイフォンとは異なり、サイフォンが機能不全に陥る可能性があり、その場合は手動操作によって通常のサージフロー動作に戻す必要があります。自動始動サイフォンのビデオデモは、 The Curiosity Showの提供により、こちら でご覧いただけます。

最も一般的な故障は、容器への充填速度に合わせて液体がゆっくりと滴り落ち、サイフォンが望ましくない定常状態に入ることです。滴り落ちを防ぐには通常、複数のパイプ内に1つまたは複数の大きな気泡を捕捉する空気圧原理が用いられ、これらの気泡はウォータートラップで密閉されます。この方法は、機構の各部に水が既に存在していない状態で断続的に作動を開始できない場合、また機構が乾燥状態から始動した場合には水が充填されない場合、故障の原因となります。

2つ目の問題は、サイフォンが作動していない状態で流入がない場合、閉じ込められたエアポケットが時間の経過とともに縮小することです。エアポケット内の空気は液体に吸収され、エアポケットが消失するまで液体が配管内に引き上げられます。その結果、貯水タンクが満水でない場合に通常の作動範囲を超えて水の流れが活性化し、機構下部の液体シールが損なわれる可能性があります。

3つ目の問題は、液体シールの下端が流出パイプのU字型ベンドになっている場合です。激しい排出動作中、流出液の運動によって過剰な量の液体が排出され、流出トラップ内のシール容積が失われ、間欠運転を維持するために捕捉されていた気泡も失われます。

4つ目の問題は、サイフォンが乾燥している際に、これらの様々な密閉室にゆっくりと液体を補充するための機構に生じる漏出孔です。漏出孔は破片や腐食によって詰まる可能性があり、手作業による清掃と介入が必要になります。これを防ぐため、サイフォンへの液体供給は、固形物や沈殿物を含まない純粋な液体のみに制限されることがあります。

少なくとも 1850 年代にまで遡って、さまざまな空気圧および流体力学の原理を使用してこれらの問題を克服しようとする自動サイフォン機構が数多く発明されてきました。

アプリケーションと用語

最初の発酵後のビールをサイフォンで吸い上げる

特定の液体を精製する必要がある場合、サイフォンは、底部（澱）または上部（泡や浮遊物）が容器から新しい容器に移るのを防ぐのに役立ちます。サイフォンは、不要な不純物が新しい容器に移るのを防ぐことができるため、ワインやビールの 発酵において有用です。

パイプやチューブで作られた自作サイフォンは、洪水後の地下室からの排水に使用できます。浸水した地下室と外部のより深い場所の間を、チューブまたは複数のパイプで接続します。接続部には、取水バルブ（構造物の最も高い端にある）から水が満たされます。両端を開くと、水はパイプを通って下水道または川に流れます。

クイーンズランド州セントジョージにおける綿花のサイフォン灌漑。

サイフォンは、灌漑田んぼでは、制御された量の水を溝から溝の壁を越えて畝へ移すためによく使用されます。

大型サイフォンは、自治体の水道や産業で使用されていることがあります。その大きさにより、サイフォンの取水口、出口、および頂部のバルブで制御する必要があります。サイフォンのプライミングは、取水口と出口を閉じ、頂部でサイフォンを満たして行います。取水口と出口が水没している場合は、頂部に真空ポンプを使用してサイフォンをプライミングします。あるいは、取水口または出口のいずれかのポンプでサイフォンをプライミングすることもできます。大型サイフォンでは、液体内のガスが問題となります。[ 30 ]ガスは頂部に蓄積する傾向があり、液体の流れを妨げるほど蓄積すると、サイフォンは機能しなくなります。サイフォン自体が問題を悪化させます。液体がサイフォンを通って上昇すると圧力が低下し、液体内の溶解ガスが溶液から抜け出すためです。温度が高いほど液体からのガスの放出が促進されるため、一定の低温を維持することが有効です。液体がサイフォン内にある時間が長いほど、放出されるガスが多くなるため、サイフォン全体を短くする方が効果的です。局所的に高い箇所ではガスが閉じ込められるため、取水脚と出口脚は中間の高い箇所のない連続した傾斜にする必要があります。液体の流れによって気泡が移動するため、取水脚の傾斜は緩やかで、流れによってガスの気泡が頂点まで押し上げられます。逆に、出口脚は、気泡が液体の流れに逆らって移動できるように急勾配にする必要があります。ただし、他の設計では、気泡をサイフォンから運び出すために、出口脚にも緩やかな傾斜が必要です。頂点では、ガスは頂点より上のチャンバーに閉じ込められることがあります。チャンバーには、ガスを除去するために、時々液体を再びプライミングする必要があります。

自家醸造ビールに使われるサイフォン

サイフォン雨量計

サイフォン式雨量計は、長期間の降雨量を記録できる 雨量計です。サイフォンは雨量計を自動的に空にするために使用されます。単に「サイフォンゲージ」と呼ばれることが多く、サイフォン式圧力計と混同しないように注意してください。

サイフォン排水

2022年現在、複数の高速道路でサイフォン排水工法が導入されています。最近の研究では、高速道路擁壁背後の地下水位を下げることができ、目詰まりの兆候も見られなかったことが分かっています。この新しい排水システムは、擁壁の漏水リスクを低減する長期的な方法として先駆的に導入されています。[ 31 ]サイフォン排水は不安定な斜面の排水にも利用されており、サイフォン屋根排水システムは1960年代から利用されています。[ 32 ] [ 33 ]

サイフォン放水路

2017年、ミシガン州トラバースシティ近郊のボードマン川沿いの貯水池から水を排水するサイフォン放水路

ダムのサイフォン放水路は、通常、水位上昇時の排水に使用されるため、厳密にはサイフォンとは呼ばない。 [ 34 ]しかし、灌漑用水路で使用される場合のように、サイフォン放水路が水流を水源貯水池の水面より高く上げる場合、サイフォンとして機能し、サイフォンとして機能しないこともある。[ 35 ] [ 21 ]サイフォン放水路は、運用上、「パイプ流」または「閉管流」とみなされる。[ 36 ]通常の放水路の流れは、放水路より上の貯水池の高さによって加圧されるのに対し、サイフォンの流量は入口と出口の高さの差によって決まる。一部の設計では、螺旋渦内の水の流れを利用して上部の空気を除去し、サイフォンをプライミングする自動システムを採用している。このような設計には、渦巻きサイフォンが含まれる。[ 37 ]

水洗トイレ

水洗トイレでは、便器が空になるときにサイフォン効果が発生することがよくあります。

一部のトイレでは、サイフォン原理を利用して水洗タンクから実際の洗浄水を得ています。洗浄はレバーまたはハンドルで操作され、シンプルなダイヤフラム型のピストンポンプが作動します。このポンプはサイフォンの頂点まで水を汲み上げ、水流を開始することで、水洗タンクの内容物を便器に完全に排出します。このシステムの利点は、洗浄時以外は水洗タンクから水が漏れないことです。これは2011年までイギリスで義務付けられていました。[ 38 ]

初期の小便器には、水洗タンク内にサイフォンが組み込まれており、わずかに開いたバルブからきれいな水が一定量水洗タンクに供給されるため、一定のサイクルで自動的に洗浄されていました。

真のサイフォンではない装置

サイフォンコーヒー

サイフォン式コーヒーメーカー：熱源（A）で温められると、下部チャンバー（B）の蒸気圧が上昇し、水は下方（C）に押し出され、中央のパイプを通って上部チャンバー（D）に流れ込み、そこでコーヒー粉と混合されます。熱が取り除かれると、水は下方に戻ります。

サイフォンの両端が大気圧にある場合、液体は高いところから低いところへ流れますが、サイフォンの下端に圧力がかかっている場合、液体は低いところから高いところへ流れます。下端の圧力が取り除かれると、液体の流れは逆になり、サイフォンは圧力によって駆動されていることがわかります。このことを身近に示しているのが、サイフォン式のコーヒーメーカーです。その仕組みは次のように説明できます（設計は様々ですが、これはコーヒー粉を除いた標準的な設計です）。

実際には、上の容器にコーヒーの粉を入れ、抽出が終わると下の容器から熱が奪われます。蒸気圧とは具体的には、沸騰したお湯が高密度の水（液体）を低密度の蒸気（気体）に変換し、蒸気が膨張して体積を増やす（つまり圧力が上昇する）ことを意味します。この膨張した蒸気の圧力によって液体はサイフォンを上昇します。蒸気が凝縮して水になると圧力が低下し、液体は下へ流れ落ちます。

サイフォンポンプ

単純なサイフォンでは、液体を原液タンクよりも高いレベルに吐出することはできませんが、頂部に気密計量室と自動バルブシステムを備えたより複雑な装置は、外部からのポンプエネルギーを加えることなく、原液タンクよりも高いレベルに液体を継続的に吐出することができます。一見エネルギー保存則に反しているように見えますが、この装置は、大量の液体がある程度の距離を落下するエネルギーを利用して、少量の液体を原液タンクより上に持ち上げ、吐出することができるため、これを実現できます。したがって、少量の液体を吐出するためには、大量の落下する液体を「必要とする」と言えるかもしれません。このようなシステムは通常、周期的または始動／停止を繰り返す方式で、継続的に自己駆動で動作します。[ 39 ] [ 40 ]ラムポンプはこのように動作しません。これらの計量ポンプは、サイフォンを動力源とする真のサイフォンポンプ装置です。

逆サイフォン

シンク下の防水シール。「A」ラインより下で逆サイフォン現象が発生しています。

逆サイフォンはサイフォンではなく、障害物の下に沈んで U 字型の流路を形成する必要があるパイプに適用される用語です。

大型の逆サイフォンは、灌漑や金鉱採掘のために、運河や水路で運ばれた水を谷間を越えて運ぶために使用されます。ローマ人は、水道橋を建設するには大きすぎる谷間を横断するために、鉛管でできた逆サイフォンを使用していました。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

逆サイフォンは、下水ガスが下水管から逆流するのを防ぐ機能から、一般的にトラップと呼ばれています。 [ 44 ]また、指輪や電子部品などの密度の高い物体が排水溝に落ちた後に回収できるようにすることもあります。[ 45 ] [ 46 ]一方の端から流入した液体は、単に液体を押し上げてもう一方の端から排出しますが、砂などの固形物は堆積します。これは、河川やその他の深い障害物の下を通る下水道システムや暗渠において特に重要であり、より適切な用語は「沈下下水管」です。[ 47 ] [ 48 ]

逆サイフォン

逆サイフォン現象は配管用語であり、消防用水需要の増加など、給水側の圧力が急激に低下または負になったために配管システムで通常の水の流れが逆流する現象を指す。[ 49 ]これは実際のサイフォンではなく吸引である。[ 50 ]逆サイフォン現象は、排水口（家屋側）の水没した入口に依存しており、このような入口は一般的ではないため、まれである。[ 51 ]逆サイフォン現象を逆流と混同してはならない。逆流とは、排水口で発生する圧力によって排水口から供給口へ水が逆流することである。[ 51 ]また、建築基準法では通常、飲料水システムへの逆流を防ぐために、給水が建物に入る場所にチェックバルブを設置することを義務付けている。

逆止弁

建築基準法には、逆サイフォン作用、特に屋外蛇口に関する具体的な規定が含まれていることがよくあります（下記の建築基準法の引用例を参照）。このような設計では、逆サイフォン弁[ 52 ]などの逆流防止装置が必須です。これは、屋外蛇口が、庭の池、プール、水槽、洗濯機などの外部水域に浸水する可能性のあるホースに接続されている可能性があるためです。このような状況では、不要な水の流れは実際にはサイフォン作用によるものではなく、給水側の圧力低下による吸引作用によるものです。給水システム内の圧力が低下すると、逆圧によって外部の水が蛇口から飲料水システムに戻る可能性があります。もう一つの汚染源として、トイレタンクの取水口が挙げられます。給水ラインの圧力低下によってトイレタンクから水（「トイレットブルー」[ 53 ]などの添加剤が含まれている場合があります）が吸引され、給水システムが汚染されるのを防ぐため、逆サイフォン弁も必要です。逆止弁は一方向チェックバルブとして機能します。

サイフォン防止弁は医療現場でも使用されている。水頭症、つまり脳内に過剰な液体がたまった状態は、脳脊髄液を脳から排出するシャントで治療できる。すべてのシャントには、脳内の過剰な圧力を軽減する弁が付いている。シャントは腹腔内に通じている可能性があり、患者が立っているときにシャント出​​口がシャント入口よりも大幅に低くなるようにする。こうしてサイフォン効果が生じ、単に過剰な圧力を軽減するだけでなく、シャントがサイフォンとして機能し、脳から脳脊髄液を完全に排出してしまう可能性がある。シャント内の弁は、このサイフォン作用を防ぐように設計される可能性があり、シャント排出口への負圧によって過剰な排出が生じないようにする。脳内からの過剰な正圧によってのみ、排出が生じるようにする。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]

医療用シャントにおける逆流防止弁は、過剰な液体の前方への流れを防止します。配管システムにおいては、逆流を防止します。

カナダのオンタリオ州の「逆サイフォン」に関する建築基準法のサンプル：[ 57 ]

7.6.2.3.バックサイフォン
  1. 大気圧以上の圧力を受けない器具またはタンクに給水するすべての飲料水システムは、逆流防止装置によって逆サイフォン作用から保護されなければならない。
  2. 飲料水供給がボイラー、タンク、冷却ジャケット、芝生散水システム、または非飲料液体が大気圧を超える圧力を受ける可能性がある、または水出口が非飲料液体に浸かる可能性があるその他の装置に接続されている場合、逆流防止装置によって逆流から給水を保護する必要があります。
  3. ホースビブが建物の屋外、ガレージ内、または識別可能な汚染リスクがある場所に設置されている場合、飲料水システムは逆流防止装置によって逆流から保護されなければなりません。

その他のサイフォン防止装置

アンチサイフォンバルブに加え、アンチサイフォン装置も存在します。この2つは用途に関連性がありません。サイフォンはタンクから燃料を抜き取るために用いられます。燃料価格の高騰に伴い、いくつかの国では燃料盗難の増加と関連付けられています。大型の燃料タンクを持つトラックは、最も脆弱です。アンチサイフォン装置は、窃盗犯が燃料タンクにチューブを挿入するのを防ぎます。

サイフォン気圧計

サイフォン式気圧計は、最も単純な水銀気圧計を指す用語として用いられることがあります。全体を通して同じ直径を持つU字型の連続管の一端が密閉され、水銀が充填されています。この管を「U」字型に立てると、密閉された端から水銀が流れ出し、部分的な真空状態が形成されます。この真空状態は、他端の大気圧とバランスを取ります。「サイフォン」という用語は、サイフォンの作動には空気圧が関与しているという考えに由来しています。U字型管の2本のアーム間の流体の高さの差は、サイフォンの最大中間高さと同じです。大気圧以外の圧力を測定するために使用されるサイフォン式気圧計は、サイフォンゲージと呼ばれることもあります。これらはサイフォンではありませんが、標準的なU字型設計に従っており[ 58 ]、これがこの用語の由来です。サイフォン式気圧計は現在でも精密機器として製造されています[ 59 ] 。サイフォン式気圧計はサイフォン式雨量計と混同しないでください[ 60 ] 。

サイフォンボトル

サイフォンボトル

サイフォンボトル（ソーダサイフォン、あるいは古くはサイフォイド[ 61 ]とも呼ばれる）は、通気口とバルブを備えた加圧ボトルです。ボトル内の圧力によって液体が押し上げられ、チューブから排出されるため、サイフォンとは異なります。特殊な形態として、ガソゲンボトルがあります。

サイフォンカップ

サイフォンカップとは、スプレーガンに取り付けられた（吊り下げ式の）塗料容器のことです。塗料は真空ポンプで吸い出されるため、サイフォンではありません。[ 62 ]この名称は、重力式の塗料容器と区別するために付けられました。この用語の古風な用法は、油が綿の芯やチューブを通してカップから潤滑対象の表面へと送られる「油カップ」ですが、これはサイフォンではなく、毛細管現象の一例です。

ヘロンのサイフォン

ヘロンのサイフォンは、重力駆動の圧力ポンプとして機能するため、サイフォンではありません。[ 63 ] [ 64 ]一見すると永久機関のように見えますが、プライミングポンプ内の空気がなくなると停止します。わずかに異なる構成では、ヘロンの噴水としても知られています。[ 65 ]

ベンチュリサイフォン

これは、周囲空気への2つの圧力開口部を備えたベンチュリーメータです。このメータは、流体の2つの部分における圧力ヘッドを測定し、流体の圧力降下を計算します。流体が図示よりも速く移動すると、右側の開口部の液面が低下します。流体速度が上昇し、開口部に流体が吸い込まれなくなると、サイフォンが形成されます。周囲空気に開放されたベンチュリーサイフォンでは、右側の開口部から空気が流体に吸い込まれ、左側の開口部は流体で満たされたままになります。

ベンチュリサイフォンはエダクターとも呼ばれ、重力サイフォンではなく、高速で流れる流体（水など）のベンチュリ効果を使用して低圧を発生させ、他の流体を吸引する真空ポンプの一種です。

よくある例としては、第一流体が空気、第二流体がガソリンである キャブレターが挙げられます。圧力ヘッドの項をご覧ください。

ベンチュリのスロート部における低圧は、第二流体が導入される際にサイフォンと呼ばれます。第一流体が液体で第二流体が空気の場合、アスピレーターと呼ばれます。アスピレーターは、第一流体の速度差によって周囲の空気とベンチュリの口部の流体との間に圧力差が生じることで作動します。ベンチュリの口部内の圧力が周囲の空気圧を下回ると、周囲の空気は流動する流体に吸い込まれ、ベンチュリの下流で混合される可能性があります。

サイホン式屋根排水

名前にもかかわらず、サイフォン式屋根排水はサイフォンとして機能しません。この技術は、重力誘起真空ポンプ[ 66 ]を利用して、複数の屋根排水から1つの縦樋に水を水平に運び、流速を高めます。[ 67 ]屋根排水口の金属製バッフルは空気の注入を減らし、システムの効率を高めます。[ 68 ]この排水技術の利点の1つは、従来の屋根排水に比べて建設にかかる資本コストが削減されることです。 [ 66 ]もう1つの利点は、従来の屋根排水配管に必要なパイプのピッチや勾配が不要になることです。ただし、この重力ポンプシステムは主に大規模な建物に適しており、通常、住宅には適していません。[ 68 ]

自己サイフォン

セルフサイフォンという用語は様々な意味で用いられます。長鎖ポリマーからなる液体は「セルフサイフォン」を起こす可能性があり[ 69 ] [ 70 ]、これらの液体は大気圧に依存しません。セルフサイフォンを起こすポリマー液体は、サイフォンチェーンモデルと同様に、チェーンの下部が残りの部分を引き上げて頂点を越えさせます。この現象はチューブレスサイフォンとも呼ばれます[ 71 ]。

「セルフサイフォン」は、サイフォンメーカーの販売資料で、ポンプ付きの携帯用サイフォンを指す際によく使われます。ポンプがあれば、サイフォンを作動させるために外部からの吸引（例えば、人の口や肺からの吸引）は不要であるため、この製品は「セルフサイフォン」と説明されます。

上部貯水池の貯水量がサイフォンの頂部の高さを超えて上昇する場合、貯水池内の上昇する液体がサイフォンを「自己プライミング」することができ、装置全体は「自己サイフォン」と呼ばれます。[ 72 ]このようなサイフォンは、一度プライミングされると、上部貯水池の水位がサイフォンの取水口より低くなるまで作動し続けます。このような自己プライミングサイフォンは、一部の雨量計やダムで有用です。

自然の中で

解剖学

「サイフォン」という用語は、人間や動物の解剖学におけるさまざまな構造に使用されます。これは、流れる液体が関係しているか、構造がサイフォンのような形をしているものの、実際にはサイフォン効果は発生していないためです。「サイフォン (曖昧さ回避)」を参照してください。

サイフォン機構が血液循環に何らかの役割を果たしているかどうかについては議論がありました。しかし、循環の「閉ループ」においては、この点は考慮されていませんでした。「対照的に、循環のような「閉鎖」系では、重力は上昇流を妨げることも、下降流を引き起こすこともありません。なぜなら、重力は循環の上昇肢と下降肢に等しく作用するからです」が、「歴史的な理由」からこの用語が使用されています。[ 73 ] [ 74 ]ある仮説（1989年）は、キリンの循環にサイフォンが存在するというものでした。[ 75 ]しかし、2004年のさらなる研究で、「静水圧勾配はなく、体液の「下降」が上昇肢を助けないため、サイフォンは存在しない。キリンの高い動脈圧は、血液を心臓から頭部まで2m上昇させるのに十分な圧力を残し、脳への灌流にも十分な圧力を残しており、この概念を裏付けています。」という結論が出ました。[ 74 ] [ 76 ]しかし、2005年に書かれた論文では、この仮説についてさらなる研究を促した。

サイフォンの原理は種特異的ではなく、閉鎖循環系の基本原理であるべきである。したがって、サイフォン原理の役割をめぐる論争は、比較的アプローチによって最もよく解決される可能性がある。系統学的近縁性を考慮した、様々な首長体長の動物における血圧の解析が重要となるだろう。さらに、様々な重力ストレス（異なる頭部位置）下における動脈血圧と静脈血圧、そして脳血流の測定を組み合わせた実験研究が、最終的にこの論争を解決するであろう。[ 77 ]

種

いくつかの種は、全体または一部がサイフォンに似ていることから、サイフォンにちなんで命名されています。ジオサイフォンは菌類です。緑藻門Siphonocladaceae科に属する藻類には、管状の構造 を持つ種があります[ 78 ] 。Ruellia villosaはキツネノマゴ科の熱帯植物で、植物学上のシノニムであるSiphonacanthus villosus Nees 'としても知られています[ 79 ]。

地質学

洞窟探検において、サイフォンまたはサンプとは、水中にある洞窟通路の一部であり、洞窟探検家はそこを潜って洞窟システムのさらに奥へ進む必要がありますが、実際のサイフォンではありません。

河川

川のサイフォン現象は、水流の一部が岩や木の幹などの水中物体の下を通過することで発生します。障害物の下を流れる水は非常に勢いが強く、カヤック、キャニオニング、その他の川でのウォータースポーツにとって非常に危険な場合があります。

ベルヌーイの方程式を用いた説明

ベルヌーイの式をサイフォンに適用すると、理想的な流量と理論上の最大高さを導き出すことができます。

ベルヌーイの方程式を記述する注釈付きのサイフォンの例
上部貯水池の表面を基準標高とします。
点Aをサイフォンの開始点とし、上層の貯水池内に浸漬し、上層の貯水池の表面から深さ-dにあるとします。
点 B を、上部貯水池の表面から高さ + h Bにあるサイフォン チューブの中間高点とします。
点Cを上部貯水池の表面から高さ-h Cにあるサイフォンの排水点とします。

ベルヌーイの方程式:

v22+グラムy+Pρ＝const1つのnt{\displaystyle {v^{2} \over 2}+gy+{P \over \rho }=\mathrm {定数} }
v{\displaystyle v\;}= 流線に沿った流体の速度
グラム{\displaystyle g\;}=下向きの重力加速度
y{\displaystyle y\;}= 重力場の標高
P{\displaystyle P\;}= 流線に沿った圧力
ρ{\displaystyle \rho \;}= 流体の密度

ベルヌーイの方程式を上部貯水池の表面に適用します。上部貯水池から水が排出されると、表面は技術的には下降します。ただし、この例では貯水池は無限大であると仮定し、表面の速度はゼロに設定できます。さらに、表面と出口点Cの両方の圧力は大気圧です。したがって、

ベルヌーイの方程式を、上貯水池のサイフォン管の始点Aに適用する。ここで、P = P A、v = v A、y = − dである。

サイフォン管の中間高点である点Bにベルヌーイの方程式を適用する。ここでP = P B、v = v B、y = h Bである。

サイフォンが排出される点Cにベルヌーイの式を適用します。ここで、v = v C、y = − h Cです。さらに、出口点の圧力は大気圧です。したがって、

速度

サイフォンは単一のシステムであるため、4つの式すべてにおける定数は同じです。式1と式4を互いに等しいとすると、次の式が得られます。

022+グラム（0）+P1つのtメートルρ＝vC22−グラムhC+P1つのtメートルρ{\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{C}^{2} \over 2}-gh_{C}+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }}

v Cを解く:

サイフォンの速度:
vC＝2グラムhC{\displaystyle v_{C}={\sqrt {2gh_{C}}}}

したがって、サイフォンの速度は、上部貯水池の表面と排水点の高低差によってのみ左右されます。中間高点の高さh Bはサイフォンの速度に影響を与えません。しかし、サイフォンは単一システムであるため、v B = v Cとなり、中間高点が最大速度を制限します。排水点を無制限に下げて速度を上げることはできません。式3は、中間高点における正圧を維持し、キャビテーションを防止するために速度を制限します。最大速度は、式1と式3を組み合わせることで計算できます。

022+グラム（0）+P1つのtメートルρ＝vB22+グラムhB+PBρ{\displaystyle {0^{2}\over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm}}\over \rho}={v_{B}^{2}\over 2}+gh_{B}+{P_{B}\over \rho}}

P B = 0に設定し、 v maxを解きます。

サイフォンの最大速度:
vメートル1つの×＝2（P1つのtメートルρ−グラムhB）{\displaystyle v_{\mathrm {max} }={\sqrt {2\left({P_{\mathrm {atm} } \over \rho }-gh_{B}\right)}}}

サイフォンが上部貯水池に流入する最初の地点の深さ（- d ）は、サイフォンの速度に影響を与えません。式2では、圧力P Aが深さdとともに増加するため、サイフォンの流入開始点の深さに制限はないことを示しています。これらの事実は、サイフォンの操作者がサイフォンの性能に影響を与えることなく、上部貯水池の底部または上部をスキミングできることを示唆しています。

この速度の式は、高さh C の物体の落下速度の式と同じです。この式では、P Cは大気圧であると仮定しています。サイフォンの端が水面より下にある場合、サイフォンの端までの高さは使用できず、貯水池間の高低差を使用する必要があります。

最大高さ

サイフォンは、特殊な状況、例えば液体が脱気され、管が清潔で滑らかである場合などでは、液体の気圧高度を超えることができるが、[ 80 ]一般に、実用的な最大高さは次のようになる。

式 1 と 3 を等しくすると次のようになります。

022+グラム（0）+P1つのtメートルρ＝vB22+グラムhB+PBρ{\displaystyle {0^{2}\over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm}}\over \rho}={v_{B}^{2}\over 2}+gh_{B}+{P_{B}\over \rho}}

中間高点の最大高さは、中間高点における圧力がゼロになるほど高くなったときに発生します。典型的なシナリオでは、この状態により液体が泡を形成し、泡が拡大してパイプを満たすとサイフォンが「破損」します。P B = 0 と設定します。

P1つのtメートルρ＝vB22+グラムhB{\displaystyle {P_{\mathrm {atm} } \over {\rho }}={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}}

h Bを解くと：

サイフォンの一般的な高さ:
hB＝P1つのtメートルρグラム−vB22グラム。{\displaystyle h_{B}={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}-{v_{B}^{2} \over 2g}.}

これは、中間高点の高さが、流線に沿った圧力によって常にゼロより大きくなることで制限されることを意味します。

サイフォンの最大高さ:
hB、メートル1つの×＝P1つのtメートルρグラム{\displaystyle h_{B\mathrm {,max} }={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}}

これはサイフォンが機能する最大高さです。値を代入すると、水の場合は約 10 m (33 フィート)、標準圧力の定義により、水銀の場合は 0.76 m (760 mm、30 インチ) になります。高さの比 (約 13.6) は、水と水銀の密度の比に等しくなります (特定の温度において)。この条件 (圧力がゼロより大きい) が満たされている限り、サイフォンの出力における流量は、ソース表面と出口の高さの差によってのみ決まります。装置内の流体の体積は、すべてのセクションで圧力ヘッドがゼロより上にある限り、関係ありません。速度が増加すると圧力が低下するため、静的サイフォン (またはマノメーター) は流動サイフォンよりもわずかに高い高さになる場合があります。

真空中での操作

実験では、液体が純粋で脱気されており、表面が非常に清潔であれば、サイフォンは分子間の凝集力と引張強度を介して真空中でも作動できることが示されています。 [ 4 ] [ 81 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 26 ]

1911年に出版されたオックスフォード英語辞典（OED）の「サイフォン」の項では、サイフォンは大気圧によって機能すると述べられている。クイーンズランド工科大学のスティーブン・ヒューズは、2010年の記事[ 21 ]でこれを批判し、メディアで広く報道された。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] OEDの編集者は、「科学者の間では、どちらの見解が正しいかについて議論が続いている。（中略）今年後半に出版予定の、完全に更新されたサイフォンの項に、この議論を反映させる予定だ」と述べた。[ 89 ]ヒューズは、9月下旬のオックスフォードブログへの投稿で、サイフォンに関する自身の見解を擁護し続けた。[ 90 ] OEDによる2015年の定義は以下のとおりである。

液体を貯留槽から上方に送り、その後、自力で下層へ下降させるために使用されるチューブ。液体がチューブ内に押し込まれると（通常は吸引または浸漬によって）、その後は流れが補助なしに継続されます。

ブリタニカ百科事典では現在、サイフォンを次のように説明しています。

サイフォン（syphon）は、通常、長さの異なる2本の脚に曲げられた管状の器具で、容器の縁を越えて液体を低い位置まで送出する。サイフォンはあらゆる大きさのものがある。その作用は重力の影響（時折考えられているように大気圧の差によるものではない。サイフォンは真空中でも機能する）と、サイフォンの脚部にある液体の柱が自重で壊れるのを防ぐ凝集力によって決まる。海面では、サイフォンによって水を10メートル（33フィート）強まで持ち上げることができる。土木工学では、逆サイフォンと呼ばれるパイプラインが、小川、高速道路の切通し、その他の地中の窪地の下を通って下水や雨水を運ぶために使用される。逆サイフォンでは、液体はパイプを完全に満たし、圧力を受けて流れる。これは、ほとんどの衛生下水道や雨水下水道で見られる開水路の重力流とは対照的である。[ 91 ]

エンジニアリングまたは産業における標準

アメリカ機械学会 (ASME) は、次の三元調和規格を発行しています。

  • ASSE 1002/ASME A112.1002/CSA B125.12 重力式トイレのフラッシュタンク用アンチサイフォン充填バルブ（ボールコック）の性能要件

参照

参考文献

  1. ^ a bラメット, ジョシュア・J.; ラメット, リチャード・W. (2011年7月). 「サイフォンの概念の検証：二酸化炭素ガスサイフォンと真空中のサイフォン」.物理教育. 46 (4): 412– 416. Bibcode : 2011PhyEd..46..412R . doi : 10.1088/0031-9120/46/4/006 . S2CID 120194913 . オープンアクセスアイコン
  2. ^ a b c d e f gリチャート, アレックス; バインダー, P.-M. (2011年2月). 「サイフォン再考」(PDF) .物理教師. 49 (2): 78. Bibcode : 2011PhTea..49...78R . doi : 10.1119/1.3543576 .この記事に関するプレスリリース：「サイフォン請求の連鎖を断つ」（プレスリリース）。ハワイ大学ヒロ校。2011年1月19日。
  3. ^ a b McGuire, Adam (2012年8月2日). 「サイフォンの物理学について」(PDF) . 国立科学財団. 2014年5月5日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年5月5日閲覧。
  4. ^ a b c dマイナー、ラルフ・スミス (1914). 「真空中でサイフォンは流れるか！実験的解答」(PDF) .スクール・サイエンス・アンド・マスマティクス. 14 (2): 152– 155. doi : 10.1111/j.1949-8594.1914.tb16014.x .
  5. ^ a b Boatwright, A.; Hughes, S.; Barry, J. (2015-12-02). 「サイフォンの高さ制限」 . Scientific Reports . 5 (1) 16790. Bibcode : 2015NatSR...516790B . doi : 10.1038 / srep16790 . ISSN 2045-2322 . PMC 4667279. PMID 26628323 .   
  6. ^ a b Michels, John (1902). Science . American Association for the Advancement of Science. p.  152. 2018年4月15日閲覧– インターネットアーカイブ経由. duane siphon 1902.
  7. ^ a b c d e f Nokes, M. C. (1948). 「真空サイフォン」(PDF) . School Science Review . 29 : 233. 2013年7月29日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  8. ^ a b 24メートルまで上昇する水 魔法じゃない、科学だ！生命の重力（パート3） YouTube
  9. ^驚くべきスローモーションビーズチェーン実験 | スローモーション | Earth Unplugged on YouTube。
  10. ^ YouTubeでガスの注入とサイフォンのやり方
  11. ^ Schieber, Frank (2011年3月28日). 「古代エジプトのワイン造り：キリスト生誕2000年前」(PDF) . 2023年3月6日閲覧。
  12. ^ a bアッシャー、アボット・ペイソン（2018年4月15日）。『機械的発明の歴史』クーリエ社、93ページ。ISBN 978-0-4862-5593-4。
  13. ^ドーラ・P・クラウチ（1993年）「古代ギリシャ都市における水管理」オックスフォード大学出版局（米国）119ページ。ISBN 0-19-507280-4。
  14. ^ “THE PNEUMATICS OF HERO OF ALEXANDRIA” . himedo.net . 2020年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月15日閲覧。
  15. ^ Banu Musa (1979). The book of ingenious devices (Kitāb al-ḥiyal) .ドナルド・ラウトレッジ・ヒル訳. Springer . p. 21. ISBN 978-90-277-0833-5。
  16. ^ 「イスラムにおける科学技術の歴史」 www.history-science-technology.com 2018年4月15日閲覧。
  17. ^ a b Calvert (2000) . 「吸引ポンプで水を汲み上げることができる最大高さ」 .
  18. ^ a b c d e「QUTの物理学者がオックスフォード英語辞典を修正（ビデオ付き）」。phys.org。
  19. ^ a b「滑車のアナロジーはすべてのサイフォンに当てはまるわけではない」。
  20. ^スミス、アンドリュー・M. (1991). 「タコの吸盤によって発生する負圧：自然界における水の引張強度に関する研究」 .実験生物学ジャーナル. 157 (1): 257– 271. Bibcode : 1991JExpB.157..257S . doi : 10.1242/jeb.157.1.257 .
  21. ^ a b c d Hughes, Stephen W. (2010年3月). 「サイフォンの実用例」 .物理教育. 45 (2). IOP Publishing: 162– 166. Bibcode : 2010PhyEd..45..162H . doi : 10.1088/0031-9120/45/2/006 . ISSN 0031-9120 . S2CID 122367587 .  
  22. ^ Boatwright, A.; Hughes, S.; Barry, J. (2015年12月2日). 「サイフォンの高さ制限」 . Nature . 5 16790. Bibcode : 2015NatSR...516790B . doi : 10.1038/srep16790 . PMC 4667279. PMID 26628323 .  
  23. ^ Calvert (2000)「サイフォン」
  24. ^ Potter, A.; Barnes, FH (1971年9月1日). 「サイフォン」 .物理教育. 6 (5): 362– 366. Bibcode : 1971PhyEd...6..362P . doi : 10.1088/0031-9120/6/5/005 .オープンアクセスアイコン
  25. ^ヒューズ, スティーブン W. (2011年5月). 「秘密のサイフォン」(PDF) .物理教育. 46 (3): 298– 302. Bibcode : 2011PhyEd..46..298H . doi : 10.1088/0031-9120/46/3/007 . S2CID 122754077 . オープンアクセスアイコン
  26. ^ a b Boatwright, Adrian L. (2011). 「真空中でサイフォンは機能するか？」. Journal of Chemical Education . 88 (11): 1547– 1550. Bibcode : 2011JChEd..88.1547B . doi : 10.1021/ed2001818 .
  27. ^ Dooley, John W (2011). 「サイフォン作用—重要なテーマ」 . Physics Today . 64 (8): 10. Bibcode : 2011PhT....64h..10D . doi : 10.1063/PT.3.1199 .
  28. ^ Hughes, Stephen; Gurung, Som (2014年4月22日). 「低圧チャンバーにおけるサイフォンと気圧計の境界の探究」 . Scientific Reports . 4 (1): 4741. Bibcode : 2014NatSR...4.4741H . doi : 10.1038 / srep04741 . PMC 3994459. PMID 24751967 .  
  29. ^ 「中級無鉛ガソリンの材料安全データシート」(PDF) 2006年11月28日。2008年5月28日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  30. ^ 「ジオサイフォン処理システム用サイフォン」 sti.srs.gov . 2010年5月11日閲覧。
  31. ^ Yan, Xin; Zhan, Wei; Hu, Zhi; Wang, Lei; Yu, Yiqiang; Xiao, Danqiang (2022-12-01). 「サイフォン排水の目詰まり防止能力と工学的応用に関する実験的研究」 . Soils and Foundations . 62 (6) 101221. Bibcode : 2022SoFou..6201221Y . doi : 10.1016/j.sandf.2022.101221 . ISSN 0038-0806 . S2CID 252793321 .  
  32. ^ Admin, WJ Group (2015年7月7日). 「サイフォン排水」 . WJ Group . 2023年2月10日閲覧。
  33. ^ 「サイフォン式屋根排水システム」 www.ntotank.com 2023年2月10日閲覧。
  34. ^ Smith, W. B. (2005年7月29日). 「サイフォンスピルウェイ – サイフォンの自動始動」 . www.vl-irrigation.org . 2015年6月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月15日閲覧。
  35. ^ 「ボニー湖の貯水量が増加中」 www.abc.net.au 2008年11月26日. 2018年4月15日閲覧。
  36. ^ "Hm16036e.vp" (PDF) . 2021年11月19日閲覧。
  37. ^ Rao, Govinda N. S. (2008). 「渦形サイフォンの設計」(PDF) . Journal of the Indian Institute of Science . 88 (3): 915– 930. 2013年12月20日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年12月19日閲覧。
  38. ^ 「サイフォン式とバルブ式フラッシュ - 情報ハブ」 。 2013年9月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月15日閲覧。
  39. ^ 「サイフォンポンプの改良」 。 2018年4月15日閲覧。
  40. ^ 「計量室を備えたサイフォンポンプ」 。 2018年4月15日閲覧。
  41. ^ 「Aqua Clopedia、ローマ水道の図解辞典：サイフォン」www.romanaqueducts.info . 2018年4月15日閲覧。
  42. ^ 「ローマ水道の逆サイフォン - Naked Science Forum」 www.thenakedscientists.com . 2018年4月15日閲覧。
  43. ^ 「ローマ時代（およびヘレニズム時代）の水道橋のサイフォン」 www.romanaqueducts.info 2018年4月15日閲覧。
  44. ^ Carter, Tim (2017年1月26日). 「浴室の下水の臭い - 建築業者に聞く」 . 2018年4月15日閲覧。
  45. ^ 「排水トラップは下水ガスからの保護」 About.comホーム。 2016年11月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月15日閲覧。
  46. ^ 「シンクの排水口に落ちた物を回収する方法 - A Concord Carpenter」 www.aconcordcarpenter.com 2011年12月26日2018年4月15日閲覧。
  47. ^ 「逆サイフォン。凹型下水道。設計計算」 www.lmnoeng.com 2018年4月15日閲覧。
  48. ^ 「アリゾナ州行政法典、第18編 環境品質、第9章 環境品質局、第3条 帯水層保護許可、E部 タイプ4一般許可」(PDF) 。 2014年9月13日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年1月5日閲覧。
  49. ^ Poo, Wing. 「逆サイフォン現象とその原因とは？ - 水道に関するFAQ 逆流防止 - 水道/下水道 - オペレーションセンター」 www.grimsby.ca 。 2018年4月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月15日閲覧。
  50. ^ 「飲料水 - 逆流と逆サイフォン作用」water.ky.gov . 2018年4月15日閲覧。
  51. ^ a b「公共水道システムに関する情報」(PDF)。米国環境保護庁。2015年9月21日。 2015年1月5日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年4月15日閲覧。
  52. ^ 「トイレ学…サイフォン式トイレ対策には説明が必要」 www.toiletology.com. 2010年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年5月11日閲覧。
  53. ^ 「トイレの青いトイレ - スイートルー」 www.cleaningshop.com.au CLEANERS SUPERMARKET® Pty, Ltd 2018年4月15日閲覧。
  54. ^所和彦;千葉康弘；阿部裕之；田中信正；山滝 章菅野 洋 (1994) 「小児水頭症の治療におけるサイフォン防止装置の重要性」。子供の神経系。10 (4): 236–8 .土井: 10.1007/BF00301160。PMID 7923233。S2CID 25326092。  
  55. ^ 「脊柱二分脊椎患者における水頭症とシャント」（プレスリリース）。米国脊柱二分脊椎協会。2009年。2011年7月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月9日閲覧。
  56. ^ Zemack, Göran; Romner, Bertil (1999). 「Codman Hakimプログラマブル弁の7年間の臨床経験：583名の患者を対象とした回顧的研究」 Neurosurgical Focus . 7 (4): 941–8 . doi : 10.3171/foc.1999.7.4.11 .
  57. ^ 「パート4：構造設計」 。2004年5月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  58. ^ 「圧力計サイフォン - 910.15 - WIKAオーストラリア」 www.wika.com.au . 2018年4月15日閲覧。
  59. ^ 「サイフォン気圧計」 。 2015年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年1月5日閲覧。
  60. ^ 「サイフォン式雨量計」www.axinum.com . 2018年4月15日閲覧。
  61. ^ [1]
  62. ^ 「重力かサイフォンか？ - ドンのエアブラシのヒント」 sites.google.com 。2018年4月15日閲覧。
  63. ^ Greenslade, Thomas B. Jr. 「Hero's Fountain」 . physics.kenyon.edu . 2020年1月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月15日閲覧。
  64. ^ Agbanlog, Rogelio Cabang; Chen, Guangming (2014). 「循環水源を備えた小型水力発電所」 Guan, Y.; Liao, H. (編). 2014年産業システム工学研究会議論文集. 産業システム工学研究所. pp. 2145ff.
  65. ^ケゼラシビリ、R. Ya.;サポジニコフ、A. (2003)。 「魔法の泉」。arXiv :物理学/0310039v1。
  66. ^ a b「Siphonic Solutionsの設計と契約」（PDF）。2015年2月27日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2015年1月5日閲覧。
  67. ^ 「Fullflowのサイフォン排水：サイフォンの解説」 2015年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年1月5日閲覧。
  68. ^ a b「サイフォン式屋根排水が上部に現れる」 2014年9月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年1月5日閲覧。
  69. ^ 「物理学のデモンストレーション - 光」 . sprott.physics.wisc.edu . 2010年5月11日閲覧。
  70. ^ School of Chemistry . Chem.soton.ac.uk. 2010年11月11日閲覧。
  71. ^チューブレスサイフォンとダイスウェルのデモンストレーション、クリストファー・W・マクミン＆ガレス・H・マッキンリー、2004年9月26日
  72. ^ "Siphon" . Grow.arizona.edu . 2004年6月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月11日閲覧。
  73. ^ Gisolf, Janneke (2005年2月25日). 「重力の循環への影響」(PDF) .人間の姿勢変化：重力の循環への影響(PDF) (論文). アムステルダム大学. pp.  7– 12. hdl : 11245/1.239323 . ISBN 978-90-901905-70. OCLC  6893398534 .
  74. ^ a b Gisolf, J.; Gisolf, A.; van Lieshout, JJ; Karemaker, JM (2005). 「サイフォン論争：概念の統合と脳のバッフルとしての作用」. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology . 289 (2). American Physiological Society: R627– R629. doi : 10.1152/ajpregu.00709.2004 . ISSN 0363-6119 . PMID 16014453 .  
  75. ^ Hicks, JW; Badeer, HS (1989年2月). 「折り畳み式チューブのサイフォン機構：キリンの頭部循環への応用」Am. J. Physiol . 256 (2 Pt 2): R567–71. doi : 10.1152/ajpregu.1989.256.2.R567 . PMID 2916707 . 
  76. ^ Seymour, RS; Johansen, K (1987). 「上り坂と下り坂の血流：サイフォンは心臓上部の循環を促進するか？」Comp Biochem Physiol A . 88 (2): 167– 70. doi : 10.1016/0300-9629(87)90465-8 . PMID 2890463 . 
  77. ^ヒックス、ジェームズ・W.、ムニス、ジェームズ・R. (2005). 「サイフォン論争の反論：脳は「不可解」である必要はない」".アメリカ生理学ジャーナル. 調節性、統合的および比較生理学. 289 (2). アメリカ生理学会: R629– R632. doi : 10.1152/ajpregu.00810.2004 . ISSN  0363-6119 . PMID  16014454 .
  78. ^ “バイア植物相: シフォノクラデ科” . 2021年11月19日に取得。
  79. ^ 「Flora brasiliensis, CRIA」florabrasiliensis.cria.org.br . 2018年4月15日閲覧。
  80. ^ 「24メートルまで上昇する水は魔法ではない、科学だ！生命の重力（パート3）」 YouTube 2007年8月24日2014年11月30日閲覧。
  81. ^ 「真空サイフォン - ビデオ周期表」 2011年10月10日。2021年12月12日時点のオリジナルよりアーカイブ– www.youtube.comより。
  82. ^ 「Siphon Concepts」 。2012年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  83. ^ Ganci, S; Yegorenkov, V (2008). 「謙虚な計測器の歴史的・教育的側面」. 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). 「真空サイフォン」Am. J. Phys . 16 : 254.
  85. ^ QUTの物理学者がオックスフォード英語辞典を訂正
  86. ^ 「AOLニュース、99年間オックスフォード英語辞典は間違っていた」 。2010年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  87. ^カリゲロス、マリッサ（2010年5月10日） 「辞書の間違い、99年間気づかれず」ブリスベン・タイムズ。
  88. ^マルキン、ボニー（2010年5月11日）「物理学者がオックスフォード英語辞典の99年前の誤りを発見」デイリー​​・テレグラフ（ロンドン）
  89. ^ 「サイフォンの定義について」「 . OUPblog .オックスフォード大学出版局. 2010年5月21日. 2010年5月23日閲覧。
  90. ^ 「『サイフォン』の定義について - OUPblog」 2010年5月21日。 2018年4月15日閲覧。
  91. ^ 「サイフォン - 楽器」ブリタニカ百科事典。 2018年4月15日閲覧。
ウィキメディア・コモンズには、サイフォンに関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Siphon&oldid=1331305180#Siphonic_roof_drainage」より取得