ティンクル☆ブログ
水道水の汚染について考えてみる
こんなネタを書くハメになるとは、想像もしなかったが。 現実に、関東地方一部の水道水から放射性物質が検出され、あまつさえ、乳児の摂取制限までかかる事態だと、放置できないわけで。
サイフォンの原理と大気圧・その３
サイフォンの原理については別記事を、前回までの記事はその１・その２をご覧下さい。
「サイフォンの原理と大気圧とは無関係なんだよ」と解説を試みてみよう、その３。
サイフォンの原理を説明する際に、大気圧は無関係であることを述べてきたわけだ。だが、大気圧がなくてもサイフォンの原理が発動するのかというと、さにあらず。それでは、大気圧は、サイフォンの原理で、どのような役回りを演じているのだろうか。
そのあたりを解明する前に、ここでひとつ、サイフォンの原理が発動するために必要な条件をまとめてみよう。
- 適度な重力
- 丈夫で適度な太さのホース（パイプでも可）
- 一定以上の滑らかな流動性と表面張力を持つ液体
- 大気圧
そのほかに、液体を溜めておくための容器だとか、サイフォンの原理を観測するに足る量の液体だとかあるが、このあたりは省略しても良いだろう。
では、順に見てみよう。
1.の重力について。
無重力あるいは低重力下では、サイフォンの原理は発動しない。ある程度以上の重力が必要となるわけだが、これについては別記事で解説しているので、ここでは割愛。
2.のホースについて。
まず、ホースが丈夫である条件についてだが。もし、ホースがペラペラのポリ袋のような材質だとしたら、どうなるだろうか。試してみると、
このように、ホースがぺちゃんこに潰れてしまい、水は流れなくなる。つまり、サイフォンの原理において、「丈夫なホース」は必要不可欠な条件、というわけだ。
では、ホースの太さについては、と言うと、これについては次項の「液体の流動性」と絡む問題なので、次で。
3.の滑らかな流動性と表面張力を持つ液体について。
一般的に、サイフォンの原理を観測する時は水を使うわけだが、本来、サイフォンの原理とは、「液体全般」を対象にしている原理だ。では、試しに「水飴」のような、ドロドロでデロンデロンな液体を使ったとしたら、どうなるだろうか。結論から言うと、サイフォンの原理は発動しない。液体の流れは、
このようになる。液体の流動性が悪いために、ホース内での液体の流量が不十分になり、ホースの端から赤い矢印で示したような経路で空気が混入してしまうのだ。こうなってしまうと、ホース内の液体が、混入した空気で分断されてしまい、液体の流れが寸断されてしまう。
この現象は、液体の流量に対してホースの径が太すぎた場合や、液体の表面張力が不十分でホースの口から容易に空気が混入してしまうような場合でも発生する。
4.の大気圧について。
大気圧がなくなると、どうなるかというと、
こうなる。前回提示した図だが、灰色の部分が真空であるものとする。別記事の解説で、「サイフォンの原理とは、落下する水の綱引き」であると喩えたのを思い出して欲しい。ここで大気圧がなくなってしまうと、水同士の綱引きが成立しなくなるのだ。つまり、
このような状態で、赤い金魚と黒い金魚が互いに別方向に落下したとしても、その間が真空となってしまい、綱引きが成立しなくなってしまうのだ。
さてさてさて。以上をざっと見回してみると、2,3,4の条件について、演じている役割が見えてきたと思う。
これらの条件は、水同士が綱引きをする過程で、綱が切れないようにするための条件となっているのだ。
翻って、1の重力は、というと、これは実際に綱引きをする力となっている点に注目。これが、原理の原理たる所以だったりする。
まだよくわからない場合は、それぞれの条件を「原理」だとした解説文を妄想してみると良いだろう。
2について、「サイフォンの原理とは、丈夫なホースによって説明される」。
3について、「サイフォンの原理とは、適度な流動性と表面張力によって説明される」。
これらの解説は、いかにも奇妙に聞こえる。だが、サイフォンの原理が発動する上で、いずれも必要な条件であり、そして演じている役割としては、大気圧と同じなのだ。
というわけで、
4について、「サイフォンの原理とは、大気圧によって説明される」。
についても、内容としては2,3と変わらない文章、ということになる。
カブが乗りにくい
過日、某スーパーマーケットに、バイクで買い物に行った時のこと。 買い物を済ませて、荷物をバイクに積み込んでいる最中、車庫から出ようとして10m以上バックしてきた不思議な車に、後ろから体当たりされた。
サイフォンの原理と大気圧・その２
サイフォンの原理については別記事に、前回の記事はその１をご覧下さい。
というわけで、「サイフォンの原理と大気圧とは無関係なんだよ」と解説を試みてみよう、その２。
圧力に関する誤解で、「ホース内の負圧がバケツの水を吸い上げるために」サイフォンの原理がおこる、というのがあった。
いかにもそれっぽく聞こえる解説だし、「負圧」なんて、それっぽい単語も出ていたりしている。負圧というのは、圧力が低くなった方に水が吸い寄せられる（吸い上げられる）現象のことを言っているのだろう。そう考えると、この誤解が、「ストローを吸うと水が上がってくる」ことや、「サイフォンの原理を発動させるのにホースの端から空気を吸い込んで呼び水をする」作業から生まれたのではなかろうかと思われる。
では、本当にそうなのかを検証。わかりやすいように、ホースのど真ん中に、負圧の最終形態「真空」を作ってみることにする。
上図の中で、灰色にした部分が真空状態だとしよう。
「ホース内の負圧がバケツの水を吸い上げる」というのは、この真空状態の部分に水が引き寄せられる、と言う意味だとすると、
こんなイメージか。
「真空（灰色の部分）による負圧で、水面が矢印aの方向に引き寄せられる」。実際の実験をした場合でも、確かに水面は矢印aの方向に移動する。
一見正しそうなのだが、この説明は正確ではない。水面が移動するのは事実だが、真空が水を引き寄せているわけではない、という点に注意。
試しに、ホースの外も全て真空にしてしまったときのことを想像してみよう。
こうしてしまうと、もはや「負圧」なるものは発生しない。つまり、水面は吸い上げられなくなる。
さて、そうなると、負圧なるものの正体が、おぼろげに見えてきたと思う。つまり、水面が矢印aの方向に動くのは、
大気圧Aがバケツの水面を押しているからだ。
というわけで、負圧と称しているものは、大気圧と同じものである、と言うことになる。
さてさて。ここで、「じゃあ、やっぱりサイフォンの原理は大気圧じゃないか」と短絡しないように。
思い出してみよう。
確かに大気圧は、水面をAの方向に押しているが、
ホース内の水面も同じ力でＢの方向に押しているのだ。
・・・ということは、とどのつまりが、
ホースの外側にある水は、大気圧Bによって、矢印bの方向に引き寄せられているわけだ。
そして、大気圧Aと大気圧Bは等しい（A=B）。よって、水の重さを無視した場合（水の重さを勘定したければ、それが重力によるものであることを認めるしかない）、負圧と称する矢印aと矢印bの力もまた、パスカルの原理により等しくなる（a=b）。バケツの水は矢印aの力で吸い上げられるが、同じ大きさの力で、ホース出口側の水も矢印bの力で吸い戻されていることになるわけだ。
とどのつまりが。
プラス・マイナス・ゼロ。
というわけで、やはり水は永久に流れない。
つまり、サイフォンの原理と大気圧は無関係である、ということだ。
閑話休題。
前回、今回と、「大気圧は無関係」と書いているが、ここで誤解無きように記しておくと。
「大気圧が存在しないと、サイフォンの原理は発動しない」のは事実だ。
単に、サイフォンの原理の解説として大気圧を用いるのは不適切である、と言っているわけなのだが。
この「必要な条件」と「原理」を混同してしまっている人も多いようだ。
このあたりの話については、また後日。
サイフォンの原理と大気圧・その１
関連記事を書いていて気になったのだが。
ネタ集めにネットをウロウロしたところ、所々で、サイフォンの原理を、大気圧を使って説明しようとしている記事があったりした。なんでだろうと思ったら、どうやらかなり昔に、それなりの学術書で間違えて解説したことがあって、それ以来蔓延している誤解らしい。あとは、コーヒーを入れるときのサイフォンと混同していたりとか（こちらは蒸気圧を使用しているが、名前が同じだけでサイフォンの原理とはまるで関係のない器具）。
というわけで、「サイフォンの原理と大気圧とは無関係なんだよ」と解説を試みてみよう、その１。
大気圧とは無関係であることを証明するために、サイフォンのホースを、ぐるりとひっくり返した仕掛けを考えてみよう。
こんな感じ。
さて、ここで注目。このときに、水面Aと水面Bの高さは、どうなるだろうか。
結論から言うと、水面Aと水面Bの高さは釣り合う。
もし釣り合わないとすると、この仕掛けを組み合わせることにより、
水が勝手に高い方へ移動する装置が出来上がることになる。
・・・そんなアホなことはあり得ないわけで。
というわけで、この装置で、水面Aと水面Bの高さは等しく釣り合う、ということは納得できると思う。
そうすると。もし大気圧だけを考えた場合、この装置のU字ホース部分を上下ひっくり返したとしても、やはり水面Aと水面Bは釣り合うことになってしまう。ホースをひっくり返したからといって、水面に掛かる大気圧が変化するわけがないからだ。
つまり。
水は永久に流れない。
とうことになる。
というわけで、サイフォンの原理で水が流れるのは、大気圧以外の理由による、という結論になるわけだ。
金魚給餌のつづき
本日の金魚。全員恙無く餌探し中。ひっくり返っていた琉金も、まったく問題は見られない。よしよし。 というわけで、どうやら水温16℃化は、無事完了。以後は、一日一度の給餌と二週に一度の換水で、この冬は乗り切れそうだ。
チラシの裏
所用にて検索サイトを眺めていたところ、ふと気になった。 その昔、インターネット黎明期で検索結果トップの言葉は、「インターネット」だった。（@早稲田千里眼） 今はどうなんだろう。気になったら、即実行。
UITextInputえくすとら
諸々が年末進行しているせいで、時間的余裕が・・・試したいことばかりが山積みになる今日この頃。 休みにはいったら、一気に消化したいなあとか企みつつも、その前に、もう一度しつこくUITextInput。