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 p_{0 -} 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).

Схема 1.

Опыт 1.

Опыт 2.

Опыт 3.

Опыт 4.

Опыт 4. График зависимости времени окончания процесса диффузии от диаметра трубки.

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 (V_д ~ 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.

№10, 2004