Несложное гидравлическое устройство - сифон - известно более двух тысяч лет. В простейшем случае оно представляет собой U-образную трубку с коленами разной длины. Если заполненный водой сифон поместить в сосуд с водой коротким коленом, вода начнет вытекать из отверстия длинного колена. Ее течение происходит под действием разности давлений, действующих на объем жидкости в верхней части трубки. Давление со стороны короткого колена p1 = p0 - rgh1, со стороны длинного p2 = p0 - rgh2, где p0 - атмосферное давление, rg - удельный вес жидкости, h - длина колена. Разность давлений ∆p = rg∆h тем больше, чем ниже опущено длинное колено сифона (см. схему 1).
Тем не менее, несмотря на простоту устройства, опыты с сифоном и просто с изогнутой трубкой обнаруживают целый ряд их интересных свойств, в литературе не описанных.
Для опытов понадобятся несколько U-образных трубок разного диаметра с коленами одинаковой длины. Капиллярный сифон можно сделать из опустевшего стержня шариковой ручки, сифон большого сечения - из отрезков стеклянных или прозрачных пластмассовых труб, соединенных резиновой трубкой.
ОПЫТ 1
Возьмем два стакана с равным количеством воды. Нальем в U-образную трубку сифона воду, перевернем ее, заткнув пальцами отверстия, и опустим оба колена в стаканы. Никакого движения жидкости по трубке, разумеется, не будет - разность давлений отсутствует. Если в одном стакане заменить чистую воду на раствор туши или чернил (в них присутствует загуститель - глицерин плотностью 1,26 г/см3), то за счет диффузии краситель начнет медленно проникать в трубку и в конце концов попадет во второй стакан.
Изменим условия опыта: поместим в трубку сифона фитиль - скрученную жгутом полоску марли. Процесс диффузии пойдет гораздо быстрее: уже через 2-3 часа цвет растворов в обоих стаканах сравняется. Дело, видимо, в том, что коэффициенты поверхностного натяжения глицерина и воды различны. Но у глицерина он меньше: 59,4 мН/м против 79,9 мН/м у воды. Поэтому втягиваться в капилляры фитиля он должен слабее. Налицо парадокс.
ОПЫТ 2
Поставим U-образный сифон трубками вверх и заполним его водой. В одном его колене размешаем немного чернил или туши. За счет естественного процесса диффузии вода в другом колене равномерно окрасится примерно через месяц. Если же в него засыпать какой-нибудь порошок - поваренную соль, соду, речной песок, вода в нем смешается с красителем практически мгновенно.
Можно было бы предположить, что при падении частиц порошка сквозь воду происходит ее перемешивание, ускоряющее процесс диффузии. Но это же явление наблюдается при внесении в трубку растворов соли, сахара или соды, так что здесь имеют место какие-то другие процессы.
ОПЫТ 3
Нальем воду в капиллярную U-образную трубку, обращенную отверстиями вверх, и размешаем в одном из колен несколько капель красителя. Благодаря более высокой плотности он опустится только до изгиба трубки и начнет очень медленно диффундировать в другое колено сифона. Опустим в трубки две проволочки, подсоединенные к электрической батарейке (напряжение 1,5-3 В) так, чтобы ее минус оказался в окрашенной воде. Через 2-3 часа вода во второй трубке полностью окрасится. Мы осуществили электрофорез - направленное движение ионов и коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля.
Электрофорез, важнейшая разновидность электрокинетических явлений, был открыт в 1807 году и сегодня широко применяется в промышленности, медицине и научных исследованиях.
ОПЫТ 4
В экспериментах с U-образными трубками разного сечения и окрашенной жидкостью обнаружилось, что скорость диффузии красителя зависит от диаметра трубки.
Шприцем с тонкой трубкой вместо иглы введем 2 мл красителя - чернил "Радуга-2" - в изгиб трубок диаметром 8, 32, 50 и 80 мм, наполненных водой до высоты 40 мм. В трубке диаметром 8 мм скорость диффузии составит около сантиметра в сутки. В трубках большего сечения процесс идет гораздо быстрее (см. таблицу).
То есть скорость диффузии обратно пропорциональна площади сечения трубки (Vд ~ 1/S), что соответствует теории.
Измерения проводились при температуре воды 20°С. При охлаждении воды до 18°С и ниже скорость диффузии сильно замедлялась, при нагревании выше 25°С резко увеличивалась и становилась практически одинаковой во всех трубках.
