大気圧の差によってサイフォンが動作する？

長らくサイフォンの原理は水面の高低差に起因する水面にかかる大気圧の差によるものと説明されていました。しかし私自身、家族に説明していておかしいことに気づき、しどろもどろになったことがあります。サイフォンの原理に大気圧が関係あるのか、考えてみましょう。

(1)大気圧を無視した場合

まず、大気圧の直接の影響を無視してみます。水面の高さが異なる水槽が管でつながっています。

水槽を無視し、管の、水面より上の部分だけを取り出します。

管の両側の水の高さを比較すると右側の方が高くなっています。

つまり右側のほうが下に流れようとする力が強いことになります。

この力は管の中の水を通して伝達するので相殺し、右側の口から流れようとする力が残ります。

したがって右側の口から流れ出ようとします。

管を水槽を戻します。左側の口は水槽から水を吸い込もうとします。右側の口は水槽に対し水を押し出そうとします。つまり左から右へ水は流れます。

(2)大気圧を考慮すると？

前項のように、大気圧に関係なく水面の高低差によって水は流れます。では大気圧は全く関係ないのでしょうか。

そうとも言い切れません。水面の高さによって大気圧は異なるからです。しかしそれは前項の管の中の圧力差に比べれば非常に小さい値です。したがって、ほとんどは水にかかる重力の差によるものといえます。

(3)大気がないとどうなる？

サイフォンによって水面が高いところから低いところへ水が流れる理由は以上です。ほとんどは水に作用する重力によるものです。

もう少しサイフォンと大気の関係について考えてみましょう。大気がなくてもサイフォンの原理の通り水が流れるでしょうか。

トリチェリの実験を思い出してください。

下の図のように、空中に接する部分がふさがった管の内側を完全に水で充填した場合、最大でどれだけの高さまで可能でしょう。約10mですね。トリチェリは水銀で実験しましたが、水の場合は10mです。

もし、あなたが建物の4階あたりから地面に置かれた水槽に長いストローを入れて吸ったとしましょう。どんな強い力で吸っても水は10mより上へは上がってきません。なぜなら管に水が充填されるのは管の上部から引っ張っているのではなく、水槽の水面が大気によって押されるからです。大気がなければ管の中は水槽の水面より高く上がることはありません。

ということは室内が真空だった場合、管の中の水は水槽の水面より高くなることはないはずです。管全体が水で充填されず、サイフォンの原理の通り水は流れないのでしょうか。

真空だからサイフォンの原理が作用しないとは限りません。次の動画をご覧ください。4:20以降です。真空でのサイフォンの原理を実験しています。4:20以前は実験方法について説明しています。それはそれで興味深いのですが、飛ばしてもよいでしょう。

管を両側のシリンダーの液面より上にしても管の中にすきまはできませんね。そして、大気がある場合と同じようにサイフォンの原理が作用しています。

これはどう考えればよいでしょう。

確かに大気圧は管の中に水を充填する力となります。しかし管に水を留めておく力はそれだけではありません。分子どうしが引き合う力によっても、管の中の水槽より高い位置まで水が持ち上げられると考えられています。

(4)まとめ

・サイフォンの原理の原動力は水面の高低差による水にかかる重力の差である。
・大気圧はサイフォンの原理に直接はほとんど関係しない。
・しかし、管が水で充填されていないと水は流れない。
・大気があれば、高さ約10mまでは大気圧によって管の中は水が充填される。
・しかし室内が真空であっても水の凝集力によってある程度は管の中が真空になることが避けられ、サイフォンの原理は作用する。