Автоматический сифон (В. Майер, Н. Назаров)

С работой сифона - простейшего устройства для перекачки жидкостей - вы познакомились еще в шестом классе. Рассказывают, что знаменитый американский физик Роберт Вуд еще мальчишкой начинал свои увлекательные эксперименты именно с сифона. Вот как описывает его опыты В. Сибрук в книге "Роберт Вуд"^*:

"Вокруг лужи было возвышение больше чем на фут, и все хорошо знали, что вода не течет в гору. Роб положил шланг на землю, велел одному из мальчиков заткнуть конец пальцем, а сам начал наливать воду в другой, пока весь шланг не наполнился. Уже тогда, по природе своей - демонстратор, Роб взял этот конец и вместо того, чтобы просто положить его на землю, перекинул шланг через высокий забор, который отделял дорогу от канавы. Вода потекла через сифон. Это, вероятно, была первая публичная научная победа Вуда".

^* (В. Сибрук. Роберт Вуд.- М.: Наука, 1978.)

Обычный сифон настолько прост, что, казалось бы, не нуждается в усовершенствованиях. Однако его недостатком является необходимость удалять воздух из колен сифона перед тем, как он начнет работать. Просто поразительна изобретательность человеческого ума, который, уяснив для себя суть этого недостатка, сумел устранить его примитивнейшими средствами!

Рис. 6

Мы расскажем вам об автоматическом сифоне^*. Стеклянную трубку длиной около 60 см и внутренним диаметром 3-4 мм изогните над пламенем так, чтобы образовались два колена, одно из которых имеет длину порядка 25 см (рис. 6). В этом колене на расстоянии 33-35 мм от его конца ребром надфиля (смоченного водой) аккуратно пропилите небольшое отверстие (1). Площадь его должна быть не более 0,5-1 мм². В стенке шарика для пинг-понга шилом проколите отверстие и круглым надфилем расширяйте его до тех пор, пока стеклянная трубка не будет с трением входить в него. Проденьте трубку в сделанное отверстие так, чтобы ее конец уперся в диаметрально противоположную точку стенки шарика. При этом отверстие в стеклянной трубке должно оказаться внутри шарика вблизи его поверхности (см. рис. 6). Соединение стеклянной трубки с шариком должно быть герметичным. Если вы немного ошиблись и сделали отверстие в шарике слишком большого диаметра, место соединения обмажьте пластилином. В шарике вблизи конца трубки, упирающегося в его стенку, проколите еще одно отверстие (2). Его первоначальный диаметр должен быть примерно равен 1 мм.

^* (Автоматический сифон изобретен С. Д. Платоновым и описан в журнале "Заводская лаборатория", № 6 (том 4), 1935.)

Быстро опустите колено сифона с шариком на его конце в стакан с водой. Почти сразу в этом колене появляется поднимающийся вверх столб воды, разделенный пузырьками воздуха. Он доходит до места перегиба сифона, опускается по второму колену вниз (рис. 7), и спустя небольшое время из отверстия второго колена начинает бить сплошная струя!

Рис. 7

Если опыт не получается, нужно просто тщательно отладить прибор. Работа автоматического сифона зависит от правильного подбора площадей отверстии в стеклянной трубке и шарике. Неудачное расположение стеклянной трубки относительно шарика или недостаточная герметичность соединения шарика с трубкой также могут привести к плохой работе сифона. Диаметр отверстия в шарике можно постепенно увеличивать надфилем, добиваясь наилучших результатов. После наладки прибора шарик можно приклеить к стеклянной трубке клеем БФ-2.

Как работает автоматический сифон? Обратимся снова к рис. 6. Когда шарик опускают в стакан с водой, вода начинает заходить внутрь его через отверстие 2. Одновременно вода поднимается и по стеклянной трубке, попадая в нее через открытый коней трубки. Скорость подъема воды в трубке больше, чем в шарике. Столб воды, поднявшийся по трубке до отверстия 1 в ее стенке, как бы перекрывает его. По мере заполнения шарика водой давление воздуха в шарике увеличивается. В какой-то момент в отверстие 1 трубки "проталкивается" маленький воздушный пузырек. Он отсекает небольшой столбик воды и поднимает его вверх. Поднимающаяся по трубке вода вновь перекрывает отверстие 1, и снова сжатый воздух проталкивается в виде пузырька в это (отверстие и отсекает новую порцию воды. Таким образом, в колене трубки с шариком образуется воздушно-водяной столб, средняя плотность которого меньше плотности воды. Под действием гидростатического давления этот столб поднимается до перегиба трубки, спускается по второму колену и, когда шарик полностью заполнится водой, "вытягивает" за собой сплошной поток воды. Сифон начинает работать.

1. Экспериментально покажите, что в шарик вода должна затекать медленнее, чем в стеклянную трубку. Объясните, почему так происходит.
2. Чтобы убедиться в правильности объяснения принципа действия автоматического сифона, замените непрозрачный шарик небольшим стеклянным пузырьком с резиновой пробкой В целом все устройство с пузырьком должно быть точно таким же как и при использовании шарика. Стеклянную трубку воткните в пузырек через отверстие в резиновой пробке. Прозрачные стенки пузырька позволят вам наблюдать процесс образования воздушно-водяного столба в стеклянной трубке.
3. Выясните, зависит ли высота подъема воздушно-водяного столба от глубины погружения в воду колена сифона с шариком.
4. Изготовьте автоматический сифон, заменив стеклянную трубку резиновой.