Сифон обманчиво прост. Обычно это просто трубка, согнутая в форме буквы L, у которой одна нога длиннее другой. Вы опускаете короткий конец в емкость с жидкостью, откачиваете воздух (сосанием или насосом), чтобы запустить поток, и вдруг жидкость поднимается через край и стекает по длинной ноге в более низкую точку. Это выглядит как магия. На самом деле это физика.
Мы часто полагаем, что атмосферное давление выталкивает жидкость вверх по трубке. Это распространенное заблуждение. Сифон работает и в вакууме. Реальными движущими силами являются гравитация и когезия (внутреннее сцепление). Гравитация тянет жидкость вниз по длинной ноге. Это создает небольшое разрежение в верхней части изгиба. Силы когезии — внутренняя «липкость» жидкости — удерживают столб жидкости целым, не давая ему разорваться под собственным весом. Пока жидкость держится вместе, гравитация проделывает всю работу.
Высота подъема строго ограничена. На уровне моря воду нельзя поднять более чем на 10 метров (33 фута). Если поднять ее выше, силы когезии не выдержат. Столб жидкости разорвется. Поток прекратится.
Этот принцип применяется не только к садовым шлангам. Гражданские инженеры используют инвертированные сифоны для управления инфраструктурой. Эти трубы отводят сточные воды или ливневые стоки под ручьи, автомагистрали или глубокие выемки в земле. В отличие от обычных канализационных систем, где поток происходит самотеком по открытому руслу, инвертированный сифон полностью заполнен жидкостью. Он работает под давлением. Это позволяет воде преодолевать понижения рельефа, которые она не могла бы преодолеть естественным путем.
Это различие имеет значение. Обычный сифон полагается на гравитацию, которая тянет висящий столб жидкости. Инвертированный сифон полагается на давление, которое выталкивает жидкость из заполненной трубы. Оба механизма перемещают жидкость против уклона, но делают это по-разному. Один висит. Другой выталкивается. Оба работают, потому что жидкости сопротивляются разрыву.
Почему мы до сих пор ошибаемся в этом вопросе? Вероятно, потому что мы не видим действия атмосферного давления внутри прозрачной трубки. Мы видим, как поднимается вода, и предполагаем, что атмосфера ее удерживает. Но уберите воздух. Уберите давление. Вода все равно поднимется. Гравитация — это двигатель. Когезия — это цепь. Без того или другого сифон не работает.
Инвертированные сифоны предотвращают затопление городов, когда земля становится препятствием. Они скрыты под землей, находятся под давлением и полностью заполнены. Они не выглядят как сифоны. Они не ведут себя как сифоны. Но они решают ту же проблему: перемещение жидкости из высокой точки в низкую, даже если путь требует спуска вниз, а затем подъема обратно.
Ограничение остается тем же. Десять метров. Не больше. Если преодолеть эту отметку, цепь разорвется. Поток прекратится. Гравитация победит.
