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Oct 28, 2023

サイフォンの高さ制限

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16790 (2015) この記事を引用 78k アクセス数 19 引用数 96 Altmetric Metrics 詳細 この記事の訂正は 2017 年 5 月 2 日に公開されました。

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この記事の訂正は 5 月 2 日に公開されました

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サイフォンの最大高さは、一般に気圧に依存すると考えられており、海抜約 10 m です。 この制限は、上部貯留レベルより上のサイフォン内の圧力が周囲圧力より低く、サイフォンの高さが 10 m に近づくと、サイフォンの頂部の圧力が水の蒸気圧を下回り、水が沸騰して破壊するために発生します。コラム。 破壊後、両側のカラムは周囲圧力とサイフォン上部の低圧領域の差圧によって支えられます。 ここでは、海抜 10 メートルをはるかに超える高さ 15 メートルで作動するサイフォンの実験を報告します。 水を事前に脱気することでキャビテーションが防止されました。 この実験は、サイフォンが重力と分子凝集によって動作するという決定的な証拠を提供します。

サイフォンは古代から使用されてきましたが、その操作手段については議論の余地がありました1、2、3、4、5、6。 2 つの競合するモデルが提案されています。1 つはサイフォンが重力と大気圧によって動作すると考えられており、もう 1 つは重力と液体の凝集が利用されていると考えられています。 大気モデルの重要な証拠は、サイフォンの最大高さが、周囲気圧によって支えられる液体柱の高さにほぼ等しいということです。 このモデルでは、サイフォンは 2 つの連続した気圧計と見なされます。 大気モデルを裏付けるもう 1 つの証拠は、チューブ内の気泡によってサイフォン流が発生し、水分子間に物理的な結合が存在しないという事実です。 重力凝集モデルを支持する証拠は、サイフォンが真空条件下で動作することが示されており 7、8、9 であり、このモデルは、サイフォンが気圧の限界近くで動作しているときの奇妙な滝のような特徴を説明できます 10。

大気と凝集の両方のサイフォン モデルは、サイフォンの最大高さが周囲の気圧に依存することを予測します。 大気モデルの場合、水柱を保持するには大気の圧力が必要です。 凝集モデルでは、この限界は、指定された温度でサイフォンの上部の圧力が水の蒸気圧を下回り、キャビテーションが発生する、つまり水が沸騰し始めてカラムが破壊されることによって説明されます。

しかし、凝集モデルは、キャビテーションを防ぐことができれば、気圧高度制限を突破できると予測しています。 凝集の理由は、表面にはエネルギーがかかるためであり、水面や空気の表面も同様です。 水の場合、表面エネルギーは表面張力と呼ばれることがよくあります。 水/空気界面の表面エネルギーは 0.072 J/m2 です。 水中で泡を作るには、泡の表面のエネルギーによりエネルギーがかかります。 気泡が安定するためには、気体の内圧か、水中の同等の張力（負圧）によって支えられなければなりません。 気泡内のガスの場合、圧力 (P) は (1) で与えられます。 この式11は理想気体に対しては正確ですが、現実気体に対しては近似値です。

ここで、γ は表面エネルギー (J/m2 または N/m)、r (m) は気泡の半径です。 適切なベンチマーク圧力は、= 1.013 × 105 Pa (N/m2) である大気圧です。 1 気圧の内圧 (または水中での同等の張力) は、半径 r の気泡をサポートできます。ここで、

つまり、半径１．４２μｍ（直径２．８μｍ）の気泡によって１気圧の内圧が発生することになる。 同様に、直径 2.8 μm の空の気泡には、1 気圧のサポートに等しい張力が発生します。 より小さな気泡はより大きな水張力をサポートし、より大きな気泡はより小さな水張力をサポートします。 直径 2.8 nm の気泡は、1000 気圧 (100 MPa) に等しい水張力に耐えることができます。