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Sifón

Principio de sifón En el sifón de gotas voladoras, la tensión superficial separa el flujo de líquido en gotas individuales dentro de una cámara sellada llena de aire, impidiendo...

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Principio de sifón

En el sifón de gotas voladoras, la tensión superficial separa el flujo de líquido en gotas individuales dentro de una cámara sellada llena de aire, impidiendo que el líquido que desciende entre en contacto con el que asciende y, por lo tanto, evitando que la fuerza de tracción del líquido lo impulse hacia arriba. Esto también demuestra que el efecto de la presión atmosférica en la entrada no se anula con la misma presión atmosférica en la salida.

Un sifón ( del griego antiguo σίφων ( síphōn ) ' tubo ' ; también escrito sifón ) es cualquiera de una amplia variedad de dispositivos que implican el flujo de líquidos a través de tubos. En un sentido más estricto, la palabra se refiere particularmente a un tubo en forma de "U" invertida, que hace que un líquido fluya hacia arriba, por encima de la superficie de un depósito, sin bomba, sino impulsado por la caída del líquido al descender por el tubo bajo la fuerza de la gravedad, para luego descargar a un nivel inferior a la superficie del depósito del que proviene. 

Hay dos teorías principales sobre cómo los sifones hacen que el líquido fluya cuesta arriba, contra la gravedad, sin ser bombeado y impulsado únicamente por la gravedad. La teoría tradicional durante siglos fue que la gravedad tirando del líquido hacia abajo en el lado de salida del sifón resultaba en una presión reducida en la parte superior del sifón. ​​Entonces la presión atmosférica podía empujar el líquido desde el depósito superior, hacia arriba, a la presión reducida en la parte superior del sifón, como en un barómetro o una pajita para beber, y luego por encima. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Sin embargo, se ha demostrado que los sifones pueden operar en un vacío [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] y a alturas que superan la altura barométrica del líquido. [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ] En consecuencia, se ha defendido la teoría de la tensión de cohesión del funcionamiento del sifón, donde el líquido es arrastrado sobre el sifón de una manera similar a la fuente de cadena . [ 9 ] No es necesario que una teoría u otra sea correcta, sino que ambas pueden serlo en diferentes circunstancias de presión ambiental . La teoría de la presión atmosférica con gravedad no puede explicar los sifones en el vacío, donde no hay una presión atmosférica significativa. Pero la teoría de la tensión de cohesión con gravedad no puede explicar los sifones de gas CO 2 , [ 10 ] los sifones que funcionan a pesar de las burbujas, y el sifón de gotas voladoras, donde los gases no ejercen fuerzas de tracción significativas, y los líquidos que no están en contacto no pueden ejercer una fuerza de tensión cohesiva.

Todas las teorías publicadas conocidas en la época moderna reconocen la ecuación de Bernoulli como una buena aproximación al funcionamiento idealizado y sin fricción de un sifón.

Historia

El sifón de Pascal, que muestra dos vasos de precipitados con mercurio dentro de un recipiente con agua, demuestra que un sifón funciona por presión atmosférica, no porque "la naturaleza aborrezca el vacío".

Los relieves egipcios del año 1500 a. C. representan sifones utilizados para extraer líquidos de grandes tinajas de almacenamiento. [ 11 ] [ 12 ]

La evidencia física del uso de sifones por los griegos es la copa de la justicia de Pitágoras en Samos en el siglo VI a. C. y su uso por ingenieros griegos en el siglo III a. C. en Pérgamo . [ 12 ] [ 13 ]

Herón de Alejandría escribió extensamente sobre sifones en el tratado Pneumatica . [ 14 ]

Los hermanos Banu Musa del Bagdad del siglo IX inventaron un sifón doble concéntrico, que describieron en su Libro de dispositivos ingeniosos . [ 15 ] [ 16 ] La edición editada por Hill incluye un análisis del sifón doble concéntrico.

Los sifones se estudiaron más a fondo en el siglo XVII, en el contexto de las bombas de succión (y las bombas de vacío recientemente desarrolladas ), particularmente con el objetivo de comprender la altura máxima de las bombas (y los sifones) y el vacío aparente en la parte superior de los primeros barómetros . Esto fue explicado inicialmente por Galileo Galilei a través de la teoría del horror vacui ("la naturaleza aborrece el vacío"), que se remonta a Aristóteles , y que Galileo reformuló como resintenza del vacuo , pero esto fue posteriormente refutado por trabajadores posteriores, en particular Evangelista Torricelli y Blaise Pascal [ 17 ]  – ver barómetro: historia .

Teoría

Un sifón práctico, que opera a presiones atmosféricas y alturas de tubo típicas, funciona porque la gravedad, al ejercer presión hacia abajo sobre la columna de líquido más alta, reduce la presión en la parte superior del sifón (formalmente, presión hidrostática cuando el líquido está en reposo). Esta reducción de presión en la parte superior implica que la gravedad, al ejercer presión hacia abajo sobre la columna de líquido más corta, no es suficiente para mantener el líquido estacionario frente a la presión atmosférica que lo empuja hacia arriba, hacia la zona de menor presión en la parte superior del sifón. ​​Así, el líquido fluye desde la zona de mayor presión del depósito superior hasta la zona de menor presión en la parte superior del sifón, la atraviesa y, con la ayuda de la gravedad y una columna de líquido más alta, desciende hasta la zona de mayor presión en la salida. [ 2 ] [ 18 ]

El modelo de cadena, donde la sección marcada con la letra "B" tira hacia abajo porque es más pesada que la sección "A", es una analogía imperfecta pero útil para el funcionamiento de un sifón.

El modelo de cadena es una representación conceptual útil, aunque no del todo precisa, de un sifón. ​​Este modelo ayuda a comprender cómo un sifón puede hacer que un líquido fluya cuesta arriba, impulsado únicamente por la fuerza descendente de la gravedad. Un sifón puede imaginarse como una cadena que cuelga de una polea, con un extremo apoyado sobre una superficie más elevada que el otro. Dado que la cadena del lado más corto es más ligera que la del lado más largo, la cadena más pesada del lado más alto se moverá hacia abajo y arrastrará hacia arriba la cadena del lado más ligero. Al igual que en un sifón, el modelo de cadena se basa simplemente en la acción de la gravedad sobre el lado más pesado, y no se viola la conservación de la energía, ya que la cadena se mueve de un lugar más alto a uno más bajo, como lo hace el líquido en un sifón.

Incluso la caída de la pierna inferior más ligera de C a D puede provocar que el líquido de la pierna superior más pesada fluya hacia arriba y hacia el depósito inferior [ 19 ].

El modelo de cadena de un sifón presenta varios problemas, y comprender estas diferencias ayuda a explicar su funcionamiento real. En primer lugar, a diferencia del modelo de cadena, lo que importa no es el peso del lado más alto en comparación con el lado más corto, sino la diferencia de altura entre las superficies del depósito y la parte superior del sifón, que determina el equilibrio de presión . Por ejemplo, si el tubo que va del depósito superior a la parte superior del sifón tiene un diámetro mucho mayor que la sección más alta del tubo que va del depósito inferior a la parte superior, la sección superior más corta del sifón puede contener un volumen de líquido mucho mayor; sin embargo, el menor volumen de líquido en el tubo descendente puede impulsar el líquido hacia arriba por el tubo ascendente, más ancho, y el sifón puede funcionar con normalidad. [ 19 ]

Otra diferencia radica en que, en la mayoría de las circunstancias prácticas, los gases disueltos, la presión de vapor y (a veces) la falta de adherencia a las paredes del tubo, se combinan para que la resistencia a la tracción del líquido sea ineficaz para el sifonado. Por lo tanto, a diferencia de una cadena, que posee una resistencia a la tracción significativa, los líquidos suelen tener poca resistencia a la tracción en condiciones típicas de sifón, y por consiguiente, el líquido del lado ascendente no puede ser arrastrado hacia arriba de la misma manera que la cadena. [ 7 ] [ 18 ]

Un malentendido ocasional sobre los sifones es que dependen de la resistencia a la tracción del líquido para elevarlo y superar la elevación. [ 2 ] [ 18 ] Si bien se ha encontrado que el agua tiene una resistencia a la tracción significativa en algunos experimentos (como con el tubo z [ 20 ] ), y los sifones en el vacío dependen de dicha cohesión, se puede demostrar fácilmente que los sifones comunes no necesitan ninguna resistencia a la tracción del líquido para funcionar. [ 7 ] [ 2 ] [ 18 ] Además, dado que los sifones comunes operan a presiones positivas en todo el sifón, no hay contribución de la resistencia a la tracción del líquido, porque las moléculas en realidad se repelen entre sí para resistir la presión, en lugar de tirarse unas de otras. [ 7 ]

Sifón de arranque neumático. Cuando se permite que la columna de líquido caiga desde C hasta D, el líquido del depósito superior fluirá hacia arriba hasta B y por encima. [ 2 ] [ 18 ] No se necesita resistencia a la tracción del líquido para elevarlo.

Para demostrarlo, la rama inferior más larga de un sifón común se puede tapar en la parte inferior y llenar casi hasta la cresta con líquido, como se muestra en la figura, dejando la parte superior y la rama superior más corta completamente secas y conteniendo solo aire. Cuando se retira el tapón y se deja caer el líquido en la rama inferior más larga, el líquido en el depósito superior normalmente arrastrará la burbuja de aire hacia abajo y fuera del tubo. El aparato continuará funcionando como un sifón normal. Como no hay contacto entre el líquido a ambos lados del sifón al comienzo de este experimento, no puede haber cohesión entre las moléculas de líquido para impulsar el líquido por encima de la elevación. Los defensores de la teoría de la resistencia a la tracción del líquido han sugerido que el sifón de arranque de aire solo demuestra el efecto al inicio del sifón, pero que la situación cambia después de que la burbuja es arrastrada y el sifón alcanza un flujo constante. Sin embargo, se puede observar un efecto similar en el sifón de gota voladora (véase más arriba). El sifón de gota voladora funciona continuamente sin que la resistencia a la tracción del líquido lo impulse hacia arriba.

Demostración de cómo extraer ponche de frutas tropicales con un sifón de gotas voladoras.

El sifón de la demostración en video funcionó de forma continua durante más de 28 minutos hasta que el depósito superior se vació. Otra demostración sencilla de que no se necesita resistencia a la tracción del líquido en el sifón consiste simplemente en introducir una burbuja durante su funcionamiento. La burbuja puede ser lo suficientemente grande como para separar completamente los líquidos del tubo, anulando así cualquier resistencia a la tracción del líquido; sin embargo, si la burbuja no es demasiado grande, el sifón seguirá funcionando prácticamente sin cambios al expulsarla.

Otro error común sobre los sifones es creer que, debido a que la presión atmosférica es prácticamente idéntica en la entrada y la salida, se anulan mutuamente y, por lo tanto, no pueden empujar el líquido hacia arriba. Sin embargo, fuerzas iguales y opuestas no siempre se anulan por completo si existe una fuerza intermedia que contrarresta total o parcialmente una de ellas. En el sifón, la presión atmosférica en la entrada y la salida disminuye debido a la fuerza de la gravedad que tira del líquido hacia abajo en cada tubo, pero la presión en el lado inferior disminuye aún más debido a la mayor altura de la columna de líquido en ese lado. En efecto, la presión atmosférica que sube por el lado inferior no llega a la parte superior para anular por completo la presión atmosférica que empuja hacia arriba. Este efecto se puede apreciar más fácilmente en el ejemplo de dos carros que se empujan cuesta arriba por lados opuestos. Como se muestra en el diagrama, aunque el empuje de la persona de la izquierda parece anularse por completo con el empuje igual y opuesto de la persona de la derecha, el empuje aparentemente anulado de la persona de la izquierda sigue siendo la fuente de la fuerza que empuja el carro de la izquierda hacia arriba.

Un ejemplo de fuerzas iguales y opuestas que aparentemente se anulan entre sí, sin embargo, la fuerza aparentemente anulada de la izquierda sigue empujando el objeto hacia arriba, de forma similar a como la presión atmosférica igual y opuesta en cada extremo de un sifón, que aparentemente se anula, deja una presión atmosférica capaz de empujar el líquido hacia arriba. (Los coches no están unidos entre sí, por lo que no se tiran unos de otros, solo se empujan).

En algunas situaciones, los sifones funcionan en ausencia de presión atmosférica y debido a la resistencia a la tracción  (véase sifones de vacío  ), y en estas situaciones el modelo de cadena puede ser instructivo. Además, en otros entornos, el transporte de agua se produce debido a la tensión, sobre todo en la fuerza de transpiración en el xilema de las plantas vasculares . [ 2 ] [ 21 ] El agua y otros líquidos pueden parecer no tener resistencia a la tracción porque cuando se recoge un puñado y se tira de él, los líquidos se estrechan y se separan sin esfuerzo. Pero la resistencia a la tracción del líquido en un sifón es posible cuando el líquido se adhiere a las paredes del tubo y, por lo tanto, resiste el estrechamiento. Cualquier contaminación en las paredes del tubo, como grasa o burbujas de aire, u otras influencias menores como turbulencia o vibración, pueden hacer que el líquido se separe de las paredes y pierda toda su resistencia a la tracción.

En más detalle, se puede observar cómo varía la presión hidrostática a través de un sifón estático, considerando sucesivamente el tubo vertical desde el depósito superior, el tubo vertical desde el depósito inferior y el tubo horizontal que los conecta (suponiendo una forma de U). Al nivel del líquido en el depósito superior, el líquido está bajo presión atmosférica, y a medida que se asciende por el sifón, la presión hidrostática disminuye (debido a la variación de presión vertical ), ya que el peso de la presión atmosférica que empuja el agua hacia arriba se contrarresta con la columna de agua en el sifón que empuja hacia abajo (hasta que se alcanza la altura máxima de un barómetro/sifón, en cuyo punto el líquido no puede ser empujado más arriba)  – la presión hidrostática en la parte superior del tubo es entonces menor que la presión atmosférica en una cantidad proporcional a la altura del tubo. Realizando el mismo análisis en el tubo que asciende desde el depósito inferior se obtiene la presión en la parte superior de ese tubo (vertical); Esta presión es menor porque el tubo es más largo (hay más agua empujando hacia abajo), y requiere que el depósito inferior esté más bajo que el depósito superior, o, más generalmente, que la salida de descarga simplemente esté más baja que la superficie del depósito superior. Si consideramos ahora el tubo horizontal que los conecta, se observa que la presión en la parte superior del tubo desde el depósito superior es mayor (ya que se eleva menos agua), mientras que la presión en la parte superior del tubo desde el depósito inferior es menor (ya que se eleva más agua), y dado que los líquidos se mueven de alta presión a baja presión, el líquido fluye a través del tubo horizontal desde el depósito superior al depósito inferior. El líquido está bajo presión positiva (compresión) a lo largo del tubo, no bajo tensión.

La ecuación de Bernoulli se considera en la literatura científica una buena aproximación al funcionamiento del sifón. ​​En fluidos no ideales, la compresibilidad, la resistencia a la tracción y otras características del fluido de trabajo (o de varios fluidos) complican la ecuación de Bernoulli.

Una vez puesto en marcha, un sifón no requiere energía adicional para mantener el líquido fluyendo hacia arriba y fuera del depósito. El sifón extraerá el líquido del depósito hasta que el nivel descienda por debajo de la entrada, permitiendo que el aire u otro gas circundante rompa el sifón, o hasta que la salida del sifón alcance el nivel del depósito, lo que ocurra primero.

Además de la presión atmosférica , la densidad del líquido y la gravedad , la altura máxima de la cresta en los sifones prácticos está limitada por la presión de vapor del líquido. Cuando la presión dentro del líquido cae por debajo de la presión de vapor del líquido, pueden comenzar a formarse pequeñas burbujas de vapor en el punto más alto y el efecto sifón terminará. Este efecto depende de la eficiencia con la que el líquido puede nuclear burbujas; en ausencia de impurezas o superficies rugosas que actúen como sitios de nucleación fáciles para las burbujas, los sifones pueden exceder temporalmente su altura máxima estándar durante el tiempo prolongado que tardan las burbujas en nuclearse. Se demostró que un sifón de agua desgasificada alcanzó los 24 m (79 pies ) durante un período prolongado de tiempo [ 8 ] y otros experimentos controlados alcanzaron los 10 m (33 pies ) [ 22 ] . Para el agua a presión atmosférica estándar , la altura máxima del sifón es de aproximadamente 10 m (33 pies) ; Para el mercurio es de 76 cm (30 pulgadas ) , que es la definición de presión estándar. Esto equivale a la altura máxima de una bomba de succión , que funciona según el mismo principio. [ 17 ] [ 23 ] La relación de alturas (aproximadamente 13,6) es igual a la relación de densidades del agua y el mercurio (a una temperatura dada), ya que la columna de agua (respectivamente, de mercurio) se equilibra con la columna de aire, lo que produce la presión atmosférica, y de hecho la altura máxima es (despreciando la presión de vapor y la velocidad del líquido) inversamente proporcional a la densidad del líquido.    

Investigación moderna sobre el funcionamiento del sifón

En 1948, Malcolm Nokes investigó sifones que funcionaban tanto a presión atmosférica como en vacío parcial ; para los sifones en vacío concluyó: «La fuerza gravitatoria sobre la columna de líquido en el tubo de bajada, menos la fuerza gravitatoria en el tubo de subida, provoca el movimiento del líquido. Por lo tanto, el líquido está en tensión y soporta una deformación longitudinal que, en ausencia de factores perturbadores, es insuficiente para romper la columna de líquido». Pero para sifones de baja altura de subida que funcionan a presión atmosférica, escribió: «... la tensión de la columna de líquido se neutraliza y se invierte por el efecto compresivo de la atmósfera en los extremos opuestos de la columna de líquido». [ 7 ]

Potter y Barnes, de la Universidad de Edimburgo, retomaron el estudio de los sifones en 1971. Reexaminaron las teorías sobre el sifón y realizaron experimentos con sifones sometidos a presión atmosférica. Concluyeron: «A estas alturas debería estar claro que, a pesar de la larga tradición, el mecanismo básico de un sifón no depende de la presión atmosférica». [ 24 ]

La gravedad, la presión y la cohesión molecular fueron el foco del trabajo realizado en 2010 por Hughes en la Universidad Tecnológica de Queensland . Utilizó sifones a presión atmosférica y su conclusión fue: «El flujo de agua que sale por la parte inferior de un sifón depende de la diferencia de altura entre la entrada y la salida, y por lo tanto no puede depender de la presión atmosférica…» [ 21 ] Hughes continuó trabajando con sifones a presión atmosférica en 2011 y concluyó: «Los experimentos descritos anteriormente demuestran que los sifones comunes a presión atmosférica funcionan por gravedad y no por presión atmosférica». [ 25 ]

Los investigadores padre e hijo Ramette y Ramette lograron extraer dióxido de carbono mediante sifón bajo presión atmosférica en 2011 y concluyeron que la cohesión molecular no es necesaria para el funcionamiento de un sifón, sino que: «La explicación básica de la acción del sifón es que, una vez que el tubo se llena, el flujo se inicia por la mayor fuerza de gravedad que ejerce el fluido en el lado más largo en comparación con el lado más corto. Esto crea una caída de presión a lo largo del tubo del sifón, del mismo modo que al "succionar" con una pajita se reduce la presión a lo largo de su longitud hasta el punto de entrada. La presión atmosférica ambiente en el punto de entrada responde a la presión reducida empujando el fluido hacia arriba, manteniendo el flujo, al igual que cuando se succiona una pajita de forma constante en un batido». [ 1 ]

Nuevamente en 2011, Richert y Binder (de la Universidad de Hawái ) examinaron el sifón y concluyeron que la cohesión molecular no es necesaria para su funcionamiento, sino que depende de la gravedad y de un diferencial de presión, escribiendo: "A medida que el fluido inicialmente cebado en la rama larga del sifón desciende rápidamente debido a la gravedad, deja un vacío parcial que permite que la presión en el punto de entrada del recipiente superior empuje el fluido hacia arriba por la rama de ese lado". [ 2 ]

El equipo de investigación formado por Boatwright, Puttick y Licence, todos ellos de la Universidad de Nottingham , logró hacer funcionar un sifón en alto vacío, también en 2011. Escribieron: «Se cree generalmente que el sifón se impulsa principalmente por la fuerza de la presión atmosférica. Se describe un experimento que demuestra que un sifón puede funcionar incluso en condiciones de alto vacío. Se demuestra que la cohesión molecular y la gravedad son factores que contribuyen al funcionamiento de un sifón; no se requiere la presencia de una presión atmosférica positiva». [ 26 ]

En un artículo publicado en Physics Today en 2011, J. Dooley, de la Universidad de Millersville, afirmó que tanto una diferencia de presión dentro del tubo del sifón como la resistencia a la tracción del líquido son necesarias para que un sifón funcione. [ 27 ]

En 2012, A. McGuire, investigador de la Universidad Estatal de Humboldt , examinó el flujo en sifones. Utilizando el software avanzado de simulación multifísica de propósito general LS-DYNA, analizó la inicialización de la presión, el flujo y la propagación de la presión dentro de un sifón. ​​Concluyó: «La presión, la gravedad y la cohesión molecular pueden ser fuerzas impulsoras en el funcionamiento de los sifones». [ 3 ]

En 2014, Hughes y Gurung (en la Universidad Tecnológica de Queensland) pusieron en marcha un sifón de agua bajo presiones de aire variables que iban desde el nivel del mar hasta 11,9  km (39 000  pies de altitud. Observaron: "El flujo se mantuvo más o menos constante durante el ascenso, lo que indica que el flujo del sifón es independiente de la presión barométrica ambiental ". Utilizaron la ecuación de Bernoulli y la ecuación de Poiseuille para examinar los diferenciales de presión y el flujo de fluido dentro de un sifón. ​​Su conclusión fue: "Del análisis anterior se deduce que debe existir una conexión cohesiva directa entre las moléculas de agua que entran y salen de un sifón. ​​Esto es cierto a todas las presiones atmosféricas en las que la presión en el ápice del sifón está por encima de la presión de vapor del agua, con la excepción de los líquidos iónicos". [ 28 ]

Requisitos prácticos

Un tubo simple puede usarse como sifón. ​​Se debe aplicar una bomba externa para iniciar el flujo del líquido y cebar el sifón (en uso doméstico, esto a menudo se hace inhalando a través del tubo hasta que se llene lo suficiente de líquido; esto puede ser peligroso para el usuario, dependiendo del líquido que se esté sifonando). Esto a veces se hace con cualquier manguera sin fugas para sifonar gasolina del tanque de gasolina de un vehículo a un tanque externo. (Sifonar gasolina por la boca a menudo resulta en la ingestión accidental de gasolina o en su aspiración a los pulmones, lo que puede causar la muerte o daño pulmonar. [ 29 ] ) Si el tubo se inunda con líquido antes de que parte del tubo se eleve por encima del punto medio alto y se tiene cuidado de mantener el tubo inundado mientras se eleva, no se requiere bomba. Los dispositivos que se venden como sifones a menudo vienen con una bomba de sifón para iniciar el proceso de sifón.

En algunas aplicaciones, puede ser útil utilizar tuberías de sifón de un diámetro ligeramente inferior al necesario. El uso de tuberías de diámetro excesivo y la posterior regulación del flujo mediante válvulas o tuberías restrictivas parecen aumentar el efecto de las preocupaciones previamente mencionadas sobre la acumulación de gases o vapor en la cresta, que sirven para romper el vacío. Si el vacío se reduce demasiado, el efecto sifón puede perderse. Reducir el tamaño de la tubería utilizada para que se ajuste a los requisitos parece disminuir este efecto y crea un sifón más funcional que no requiere cebado ni reinicio constantes. En este sentido, cuando se requiere igualar el flujo de entrada a un recipiente con el flujo de salida del mismo (para mantener un nivel constante en un estanque alimentado por un arroyo, por ejemplo), sería preferible utilizar dos o tres tuberías paralelas más pequeñas e independientes que puedan activarse según sea necesario, en lugar de intentar utilizar una sola tubería grande e intentar regular su flujo.

Sifón intermitente automático

Los sifones se emplean a veces como máquinas automáticas, en situaciones donde se desea convertir un flujo continuo o un pequeño flujo irregular en un gran volumen de agua. Un ejemplo común es un baño público con urinarios que se descargan regularmente mediante un sifón automático en un pequeño depósito de agua elevado. Cuando el depósito se llena, todo el líquido almacenado se libera, formando un gran volumen que luego se reinicia y se vuelve a llenar. Una forma de realizar esta acción intermitente implica maquinaria compleja como flotadores, cadenas, palancas y válvulas, pero estas pueden corroerse, desgastarse o atascarse con el tiempo. Un método alternativo consiste en utilizar tuberías y cámaras rígidas, empleando únicamente el agua del sifón como mecanismo de funcionamiento.

Un sifón utilizado en un dispositivo automático sin supervisión debe funcionar de forma fiable y sin fallos. Esto difiere de los sifones autoarrancables comunes para demostraciones , ya que existen formas en que el sifón puede fallar y requerir intervención manual para restablecer el flujo normal. Puede encontrar una demostración en vídeo de un sifón autoarrancable aquí , cortesía de The Curiosity Show .

El fallo más común consiste en que el líquido gotee lentamente, al mismo ritmo que se llena el recipiente, y el sifón entre en un estado estacionario no deseado. Para evitar el goteo, normalmente se utilizan principios neumáticos para atrapar una o más burbujas de aire grandes en varias tuberías, que se sellan con trampas de agua. Este método puede fallar si no puede funcionar de forma intermitente sin que haya agua presente en algunas partes del mecanismo, y si el mecanismo parte de un estado seco, no se llenará.

Un segundo problema es que las bolsas de aire atrapadas se contraen con el tiempo si el sifón no funciona por falta de entrada de líquido. El aire en las bolsas es absorbido por el líquido, que lo arrastra hacia arriba por la tubería hasta que la bolsa de aire desaparece, lo que puede provocar la activación del flujo de agua fuera del rango normal de funcionamiento cuando el tanque de almacenamiento no está lleno, lo que conlleva la pérdida del sello hidráulico en las partes inferiores del mecanismo.

Un tercer problema se presenta cuando el extremo inferior del sello líquido es simplemente una curva en forma de U en una tubería de salida. Durante un vaciado vigoroso, el movimiento cinético del líquido al salir puede expulsar demasiado líquido, lo que provoca una pérdida del volumen de sellado en la trampa de salida y la pérdida de la burbuja de aire atrapada, impidiendo así el funcionamiento intermitente.

Un cuarto problema radica en los orificios de drenaje del mecanismo, diseñados para rellenar lentamente las cámaras de sellado cuando el sifón está seco. Estos orificios pueden obstruirse con residuos y corrosión, lo que requiere limpieza e intervención manual. Para evitarlo, el sifón puede utilizarse únicamente con líquidos puros, libres de sólidos o precipitados.

Se han inventado muchos sifones automáticos desde al menos la década de 1850, para mecanismos de sifón automáticos que intentan superar estos problemas utilizando diversos principios neumáticos e hidrodinámicos.

Aplicaciones y terminología

Trasvasar la cerveza después de la primera fermentación.

Cuando es necesario purificar ciertos líquidos, el sifonado puede evitar que los sedimentos ( posos ) o la espuma y las partículas en suspensión se transfieran de un recipiente a otro. Por ello, el sifonado resulta útil en la fermentación del vino y la cerveza, ya que impide que las impurezas no deseadas lleguen al nuevo recipiente.

Los sifones caseros, hechos con tubos o tuberías, pueden utilizarse para evacuar el agua de los sótanos tras una inundación. Entre el sótano inundado y un lugar más profundo en el exterior se construye una conexión con un tubo o varias tuberías. Estas se llenan de agua a través de una válvula de entrada (en el extremo más alto de la construcción). Al abrir los extremos, el agua fluye por la tubería hacia la alcantarilla o el río.

Riego por sifón de algodón en St George, Queensland .

El sifonado es una técnica común en los campos de regadío para transferir una cantidad controlada de agua desde una acequia, por encima del muro de la acequia, hacia los surcos.

Los sifones grandes se pueden usar en plantas potabilizadoras municipales e industria. Su tamaño requiere control mediante válvulas en la entrada, la salida y la cresta del sifón. ​​El sifón se puede cebar cerrando la entrada y las salidas y llenándolo en la cresta. Si las entradas y salidas están sumergidas, se puede aplicar una bomba de vacío en la cresta para cebar el sifón. ​​Alternativamente, el sifón se puede cebar mediante una bomba en la entrada o la salida. La presencia de gas en el líquido es un problema en los sifones grandes. [ 30 ] El gas tiende a acumularse en la cresta y, si se acumula lo suficiente como para interrumpir el flujo de líquido, el sifón deja de funcionar. El propio sifón agrava el problema porque, a medida que el líquido asciende a través de él, la presión disminuye, lo que provoca que los gases disueltos en el líquido se liberen. Una temperatura más alta acelera la liberación de gas de los líquidos, por lo que mantener una temperatura baja y constante ayuda. Cuanto más tiempo permanece el líquido en el sifón, más gas se libera, por lo que un sifón más corto en general es beneficioso. Los puntos altos locales atraparán el gas, por lo que las tuberías de entrada y salida deben tener pendientes continuas sin puntos altos intermedios. El flujo del líquido mueve las burbujas, por lo que la tubería de entrada puede tener una pendiente suave, ya que el flujo empujará las burbujas de gas hacia la cresta. Por el contrario, la tubería de salida necesita una pendiente pronunciada para permitir que las burbujas se muevan contra el flujo del líquido; aunque otros diseños también requieren una pendiente suave en la tubería de salida para permitir que las burbujas salgan del sifón. ​​En la cresta, el gas puede quedar atrapado en una cámara situada encima de ella. La cámara debe cebarse periódicamente con líquido para eliminar el gas.

Un sifón utilizado para elaborar cerveza casera.

pluviómetro de sifón

Un pluviómetro de sifón es un pluviómetro que registra la lluvia durante un período prolongado. Se utiliza un sifón para vaciarlo automáticamente. A menudo se le denomina simplemente "pluviómetro de sifón" y no debe confundirse con un manómetro de presión de sifón.

Drenaje por sifón

En 2022, se implementó un método de drenaje por sifón en varias autopistas. Estudios recientes demostraron que puede reducir el nivel freático detrás de los muros de contención de las autopistas y no se observaron obstrucciones. Este nuevo sistema de drenaje se está implementando como un método a largo plazo para limitar el riesgo de filtraciones en el muro de contención. [ 31 ] El drenaje por sifón también se utiliza para drenar taludes inestables, y los sistemas de drenaje de agua de lluvia por sifón se utilizan desde la década de 1960. [ 32 ] [ 33 ]

Aliviadero de sifón

Aliviaderos de sifón que drenan un embalse a lo largo del río Boardman cerca de Traverse City, Michigan , en 2017.

Un aliviadero de sifón en una presa generalmente no es técnicamente un sifón, ya que se usa para drenar niveles de agua elevados. [ 34 ] Sin embargo, un aliviadero de sifón funciona como un sifón real si eleva el flujo por encima de la superficie del embalse de origen, como ocurre a veces cuando se usa para riego. [ 35 ] [ 21 ] En funcionamiento, un aliviadero de sifón se considera de "flujo en tubería" o "flujo en conducto cerrado". [ 36 ] El flujo de un aliviadero normal está presurizado por la altura del embalse sobre el aliviadero, mientras que el caudal de un sifón está determinado por la diferencia de altura entre la entrada y la salida. Algunos diseños utilizan un sistema automático que emplea el flujo de agua en un vórtice espiral para eliminar el aire superior y cebar el sifón. ​​Dicho diseño incluye el sifón de voluta. [ 37 ]

inodoro con cisterna

Los inodoros con cisterna suelen tener un efecto de sifón a medida que se vacía la taza.

Algunos inodoros también utilizan el principio del sifón para obtener la descarga de la cisterna . La descarga se activa mediante una palanca o manilla que acciona una bomba de pistón de diafragma simple, la cual eleva suficiente agua hasta la cresta del sifón para iniciar el flujo de agua, vaciando así por completo el contenido de la cisterna en la taza del inodoro. La ventaja de este sistema era que no se producían fugas de agua de la cisterna, excepto al tirar de la cadena. Estos inodoros fueron obligatorios en el Reino Unido hasta 2011. [ 38 ]

Los primeros urinarios incorporaban un sifón en la cisterna que se descargaba automáticamente en un ciclo regular gracias a un goteo constante de agua limpia que llegaba a la cisterna mediante una válvula ligeramente abierta.

Dispositivos que no son sifones verdaderos

Café de sifón

Cafetera de sifón: al calentarse con una fuente de calor (A), la presión del vapor aumenta en la cámara inferior (B), empujando el agua hacia abajo (C) y a través del tubo central hacia la cámara superior (D), donde se mezcla con el café molido. Al retirar el calor, el agua vuelve a fluir hacia abajo.

Si ambos extremos de un sifón están a presión atmosférica, el líquido fluye de arriba hacia abajo; si el extremo inferior está presurizado, el líquido puede fluir de abajo hacia arriba. Si se elimina la presión del extremo inferior, el flujo de líquido se invertirá, lo que demuestra que es la presión la que impulsa el sifón. ​​Un ejemplo cotidiano de esto es la cafetera de sifón , que funciona de la siguiente manera (los diseños varían; este es un diseño estándar, sin café molido):

  • Se llena un recipiente de vidrio con agua y luego se sella herméticamente con un sifón que sobresale verticalmente hacia arriba.
  • Encima se coloca otro recipiente de vidrio, abierto a la atmósfera; el recipiente superior está vacío y el inferior está lleno de agua.
  • A continuación, se calienta el recipiente inferior; a medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión de vapor del agua (se evapora cada vez más); cuando el agua hierve, la presión de vapor es igual a la presión atmosférica, y a medida que la temperatura supera el punto de ebullición, la presión en el recipiente inferior excede la presión atmosférica y empuja el agua hacia arriba por el tubo del sifón hasta el recipiente superior.
  • Una pequeña cantidad de agua caliente y vapor permanece en el recipiente inferior y se mantiene caliente, y esta presión mantiene el agua en el recipiente superior.
  • Cuando se elimina el calor del recipiente inferior, la presión de vapor disminuye y ya no puede sostener la columna de agua; la gravedad (que actúa sobre el agua) y la presión atmosférica empujan entonces el agua de vuelta al recipiente inferior.

En la práctica, el recipiente superior se llena con café molido y, una vez finalizada la preparación, se retira el calor del recipiente inferior. La presión de vapor implica, concretamente, que el agua hirviendo transforma el agua (un líquido) de alta densidad en vapor (un gas) de baja densidad, el cual se expande ocupando mayor volumen (es decir, aumenta la presión). Esta presión del vapor en expansión impulsa el líquido hacia arriba por el sifón; al condensarse el vapor en agua, la presión disminuye y el líquido fluye de nuevo hacia abajo.

Bomba de sifón

Si bien un sifón simple no puede expulsar líquido a un nivel superior al del depósito de origen, un dispositivo más complejo que utiliza una cámara de medición hermética en la cresta y un sistema de válvulas automáticas puede descargar líquido de forma continua, a un nivel superior al del depósito de origen, sin necesidad de energía de bombeo externa. Esto se logra a pesar de lo que inicialmente parece una violación de la conservación de la energía, ya que aprovecha la energía de un gran volumen de líquido que cae desde cierta altura para elevar y descargar un pequeño volumen de líquido por encima del depósito de origen. Por lo tanto, podría decirse que "requiere" una gran cantidad de líquido en caída para impulsar la dispensación de una pequeña cantidad. Este sistema suele funcionar de forma cíclica o de arranque/parada, pero de manera continua y autoalimentada. [ 39 ] [ 40 ] Las bombas de ariete no funcionan de esta manera. Estas bombas dosificadoras son verdaderos dispositivos de bombeo por sifón que utilizan sifones como fuente de energía.

Sifón invertido

Sello hidráulico debajo de un fregadero. Se produce un sifonamiento invertido debajo de la línea "A".

Un sifón invertido no es un sifón, sino simplemente un conducto situado por debajo del nivel de la superficie de un líquido, que permite que las alturas de la superficie a ambos lados sean iguales en equilibrio.

Los grandes sifones invertidos se utilizan para transportar agua que circula por canales o acequias a través de valles, para riego o extracción de oro. Los romanos utilizaban sifones invertidos de tuberías de plomo para cruzar valles demasiado grandes para construir un acueducto . [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Los sifones invertidos se denominan comúnmente trampas por su función de impedir que los gases de las alcantarillas regresen [ 44 ] y, en ocasiones, permiten recuperar objetos densos como anillos y componentes electrónicos que caen en un desagüe. [ 45 ] [ 46 ] El líquido que fluye por un extremo simplemente lo empuja hacia arriba y hacia afuera por el otro extremo, pero los sólidos como la arena se acumulan. Esto es especialmente importante en sistemas de alcantarillado o alcantarillas que deben tenderse bajo ríos u otras obstrucciones profundas, donde el término más apropiado es "alcantarilla hundida". [ 47 ] [ 48 ]

Sifonamiento inverso

El sifonamiento inverso es un término de plomería que se aplica a la inversión del flujo normal de agua en un sistema de plomería debido a una presión muy reducida o negativa en el lado del suministro de agua , como una alta demanda de suministro de agua por la extinción de incendios ; [ 49 ] no es un sifón real, sino una succión . [ 50 ] El sifonamiento inverso es raro, ya que depende de entradas sumergidas en el extremo de salida (hogar) y estas son poco comunes. [ 51 ] El sifonamiento inverso no debe confundirse con el reflujo ; que es el flujo inverso de agua desde el extremo de salida al extremo de suministro causado por la presión que se produce en el extremo de salida. [ 51 ] Además, los códigos de construcción generalmente exigen una válvula de retención donde el suministro de agua entra a un edificio para evitar el reflujo al sistema de agua potable .

Válvula antisifón

Los códigos de construcción suelen contener secciones específicas sobre sifonamiento inverso, especialmente para grifos exteriores . (Véase la cita de ejemplo del código de construcción a continuación). En estos diseños se requieren dispositivos de prevención de reflujo, como válvulas antisifón [ 52 ] . Esto se debe a que los grifos exteriores pueden estar conectados a mangueras que pueden estar sumergidas en un cuerpo de agua externo, como un estanque de jardín, una piscina, un acuario o una lavadora. En estas situaciones, el flujo no deseado no es realmente el resultado de un sifón, sino de una succión debido a la reducción de la presión en el lado del suministro de agua. Si la presión dentro del sistema de suministro de agua disminuye, el agua externa puede regresar por contrapresión al sistema de agua potable a través del grifo. Otro posible punto de contaminación es la entrada de agua en el tanque del inodoro. También se requiere una válvula antisifón en este caso para evitar que las caídas de presión en la línea de suministro de agua succionen agua del tanque del inodoro (que puede contener aditivos como "azul de inodoro" [ 53 ] ) y contaminen el sistema de agua. Las válvulas antisifón funcionan como una válvula de retención unidireccional .

Las válvulas antisifón también se utilizan en medicina. La hidrocefalia , o exceso de líquido en el cerebro, puede tratarse con una derivación que drena el líquido cefalorraquídeo del cerebro. Todas las derivaciones tienen una válvula para aliviar el exceso de presión en el cerebro. La derivación puede conducir a la cavidad abdominal de tal manera que la salida de la derivación esté significativamente más baja que la entrada de la derivación cuando el paciente está de pie. Por lo tanto, puede producirse un efecto de sifón y, en lugar de simplemente aliviar el exceso de presión, la derivación puede actuar como un sifón, drenando completamente el líquido cefalorraquídeo del cerebro. La válvula de la derivación puede diseñarse para evitar esta acción de sifón de manera que la presión negativa en el drenaje de la derivación no produzca un drenaje excesivo. Solo el exceso de presión positiva dentro del cerebro debería producir drenaje. [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]

La válvula antirretorno en las derivaciones médicas impide el flujo excesivo de líquido hacia adelante. En los sistemas de plomería, la válvula antirretorno impide el reflujo.

Ejemplos de reglamentos del código de construcción relativos al "sifonamiento inverso" de la provincia canadiense de Ontario : [ 57 ]

7.6.2.3.Sifonamiento inverso
  1. Todo sistema de agua potable que alimente un aparato o tanque que no esté sujeto a presiones superiores a la atmosférica deberá estar protegido contra el sifonamiento inverso mediante un dispositivo antirretorno .
  2. Cuando un suministro de agua potable esté conectado a una caldera, tanque, camisa de refrigeración, sistema de riego de césped u otro dispositivo donde un fluido no potable pueda estar bajo una presión superior a la atmosférica o la salida de agua pueda estar sumergida en el fluido no potable, el suministro de agua deberá estar protegido contra el reflujo mediante un dispositivo antirretorno.
  3. Cuando se instale una toma de agua exterior en el exterior de un edificio, dentro de un garaje o donde exista un riesgo identificable de contaminación, el sistema de agua potable deberá estar protegido contra el reflujo mediante un dispositivo antirretorno.

Otros dispositivos antisifón

Además de las válvulas antisifón, también existen dispositivos antisifón . ​​Ambos no guardan relación en su aplicación. El sifón se utiliza para extraer combustible de los tanques. Con el aumento del precio del combustible, se ha vinculado en varios países al incremento del robo de combustible . Los camiones, con sus grandes tanques de combustible, son los más vulnerables. El dispositivo antisifón impide que los ladrones introduzcan un tubo en el tanque de combustible.

barómetro de sifón

Un barómetro de sifón es el término que a veces se aplica al barómetro de mercurio más simple . Un tubo continuo en forma de U, del mismo diámetro en toda su longitud, está sellado en un extremo y lleno de mercurio. Al colocarlo en posición vertical, en forma de "U", el mercurio fluye desde el extremo sellado, formando un vacío parcial, hasta que se equilibra con la presión atmosférica en el otro extremo. El término "sifón" deriva de la creencia de que la presión del aire interviene en su funcionamiento. La diferencia de altura del fluido entre los dos brazos del tubo en forma de U es la misma que la altura intermedia máxima de un sifón. ​​Cuando se utiliza para medir presiones distintas a la atmosférica, un barómetro de sifón a veces se denomina manómetro de sifón ; estos no son sifones, sino que siguen un diseño estándar en forma de U [ 58 ] , lo que da origen al término. Los barómetros de sifón todavía se fabrican como instrumentos de precisión [ 59 ] . Los barómetros de sifón no deben confundirse con un pluviómetro de sifón [ 60 ] .

Botella de sifón

Botellas de sifón

Una botella de sifón (también llamada sifón de soda o, arcaicamente, sifoide [ 61 ] ) es una botella presurizada con un orificio de ventilación y una válvula. No es un sifón, ya que la presión dentro de la botella impulsa el líquido hacia arriba y hacia afuera a través de un tubo. Una forma especial era el gasógeno .

Vaso de sifón

Un vaso de sifón es el depósito (colgante) de pintura acoplado a una pistola pulverizadora; no es un sifón propiamente dicho, ya que una bomba de vacío extrae la pintura. [ 62 ] Este nombre sirve para distinguirlo de los depósitos alimentados por gravedad. Un uso arcaico del término se refiere a un vaso de aceite en el que el aceite se transporta fuera del vaso mediante una mecha o tubo de algodón hasta una superficie que se va a lubricar; esto no es un sifón, sino un ejemplo de acción capilar .

Sifón de garza

El sifón de Heron no es un sifón, ya que funciona como una bomba de presión accionada por gravedad. [ 63 ] [ 64 ] A primera vista parece una máquina de movimiento perpetuo , pero se detiene cuando se agota el aire en la bomba de cebado. En una configuración ligeramente diferente, también se le conoce como fuente de Heron . [ 65 ]

sifón Venturi

Este es un medidor Venturi con dos aberturas de presión hacia el aire ambiente. Este medidor mide la presión hidrostática en dos partes de un fluido en movimiento para calcular la caída de presión que experimenta dicho fluido. Si el fluido se moviera más rápido de lo que se muestra, el nivel de fluido en la abertura derecha disminuiría. A medida que la velocidad del fluido aumenta hasta el punto en que ya no se introduce fluido en la abertura, se formará un sifón. ​​En un sifón Venturi abierto al aire ambiente, el aire será aspirado por la corriente de fluido en la abertura derecha, mientras que la abertura izquierda permanecerá llena de fluido.

Un sifón Venturi , también conocido como eyector , no es un sifón de gravedad, sino un tipo de bomba de vacío que utiliza el efecto Venturi de fluidos de flujo rápido (por ejemplo, agua) para producir bajas presiones y succionar otros fluidos.

Un ejemplo común es el carburador, donde el primer fluido es aire y el segundo es gasolina. Véase cabezal de presión.

La baja presión en la garganta del Venturi se denomina sifón cuando se introduce un segundo fluido. Se denomina aspirador cuando el primer fluido es líquido y el segundo es aire. El aspirador funciona debido a la diferencia de velocidad del primer fluido, que a su vez provoca una diferencia de presión entre el aire ambiente y el fluido en la boca del Venturi. Una vez que la presión dentro de la boca del Venturi disminuye por debajo de la presión del aire ambiente, este es aspirado por el fluido en movimiento, donde puede mezclarse aguas abajo del Venturi.

Drenaje de techo sifónico

A pesar de su nombre, el drenaje sifónico de techos no funciona como un sifón; la tecnología utiliza el bombeo de vacío inducido por gravedad [ 66 ] para transportar el agua horizontalmente desde múltiples desagües de techo hasta una sola bajante y aumentar la velocidad del flujo. [ 67 ] Los deflectores metálicos en las entradas de los desagües de techo reducen la inyección de aire, lo que aumenta la eficiencia del sistema. [ 68 ] Una ventaja de esta técnica de drenaje es la reducción de los costos de capital en la construcción en comparación con el drenaje de techos tradicional. [ 66 ] Otra ventaja es la eliminación de la pendiente o inclinación de la tubería requerida para las tuberías de drenaje de techos convencionales. Sin embargo, este sistema de bombeo por gravedad es principalmente adecuado para grandes edificios y no suele ser adecuado para propiedades residenciales. [ 68 ]

Sifones propios

El término auto-sifón se utiliza de diversas maneras. Los líquidos compuestos por polímeros largos pueden "auto-sifonarse" [ 69 ] [ 70 ] y estos líquidos no dependen de la presión atmosférica. Los líquidos poliméricos auto-sifonantes funcionan de la misma manera que el modelo de cadena de sifón, donde la parte inferior de la cadena tira del resto de la cadena hacia arriba y por encima de la cresta. Este fenómeno también se denomina sifón sin tubo . [ 71 ]

El término "autosifón" también se usa con frecuencia en la publicidad de los fabricantes de sifones para describir los sifones portátiles que contienen una bomba. Gracias a la bomba, no se requiere succión externa (por ejemplo, de la boca o los pulmones) para poner en marcha el sifón, por lo que el producto se describe como un "autosifón".

Si el depósito superior permite que el líquido se eleve por encima de la altura de la cresta del sifón, el líquido ascendente en el depósito puede autocebar el sifón y todo el aparato se denomina "autosifón". [ 72 ] Una vez cebado, dicho sifón seguirá funcionando hasta que el nivel del depósito superior descienda por debajo de la entrada del sifón. ​​Estos sifones autocebantes son útiles en algunos pluviómetros y presas.

En la naturaleza

Anatomía

El término "sifón" se utiliza para referirse a varias estructuras en la anatomía humana y animal, ya sea porque intervienen líquidos que fluyen o porque la estructura tiene forma de sifón, pero en la que no se produce ningún efecto de sifón real: véase Sifón (desambiguación) .

Ha habido un debate sobre si el mecanismo de sifón juega un papel en la circulación sanguínea. Sin embargo, en el "circuito cerrado" de la circulación esto fue descartado; "Por el contrario, en sistemas 'cerrados', como la circulación, la gravedad no obstaculiza el flujo ascendente ni causa el flujo descendente, porque la gravedad actúa por igual en las ramas ascendentes y descendentes del circuito", pero por "razones históricas", el término se usa. [ 73 ] [ 74 ] Una hipótesis (en 1989) fue que existía un sifón en la circulación de la jirafa. [ 75 ] Pero una investigación posterior en 2004 encontró que, "No hay gradiente hidrostático y dado que la 'caída' del fluido no ayuda al brazo ascendente, no hay sifón. ​​La alta presión arterial de la jirafa, que es suficiente para elevar la sangre 2 m desde el corazón hasta la cabeza con suficiente presión restante para perfundir el cerebro, apoya este concepto." [ 74 ] [ 76 ] Sin embargo, un artículo escrito en 2005 instó a más investigación sobre la hipótesis:

El principio del sifón no es específico de ninguna especie y debería ser un principio fundamental de los sistemas circulatorios cerrados. Por lo tanto, la controversia en torno al papel del principio del sifón podría resolverse mejor mediante un enfoque comparativo. Serán importantes los análisis de la presión arterial en diversos animales de cuello y cuerpo largos, que tengan en cuenta el parentesco filogenético. Además, los estudios experimentales que combinen mediciones de la presión arterial y venosa con el flujo sanguíneo cerebral, bajo diversas tensiones gravitacionales (diferentes posiciones de la cabeza), resolverán finalmente esta controversia. [ 77 ]

Especies

Algunas especies reciben su nombre de sifones porque se asemejan a ellos total o parcialmente. Los geosifones son hongos. Existen especies de algas pertenecientes a la familia Siphonocladaceae del filo Chlorophyta [ 78 ] que poseen estructuras tubulares. Ruellia villosa es una planta tropical de la familia Acanthaceae , también conocida por su sinónimo botánico , Siphonacanthus villosus Nees '. [ 79 ]

Geología

En espeleología, un sifón o un pozo de drenaje es la parte de un pasaje de una cueva que se encuentra bajo el agua y por la que los espeleólogos tienen que bucear para avanzar más en el sistema de cuevas , pero no es un sifón propiamente dicho.

ríos

Un sifón fluvial se produce cuando parte del caudal de un río pasa por debajo de un objeto sumergido, como una roca o el tronco de un árbol. El agua que fluye bajo la obstrucción puede ser muy potente y, por lo tanto, muy peligrosa para la práctica de kayak, barranquismo y otros deportes acuáticos fluviales.

Explicación mediante la ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli puede aplicarse a un sifón para obtener su caudal ideal y su altura máxima teórica.

Ejemplo de un sifón con anotaciones para describir la ecuación de Bernoulli.
Consideremos la superficie del embalse superior como la elevación de referencia.
Sea el punto A el punto de inicio del sifón, sumergido dentro del depósito superior y a una profundidad − d por debajo de la superficie del depósito superior.
Sea el punto B el punto más alto intermedio en el tubo del sifón a una altura + h B por encima de la superficie del depósito superior.
Sea el punto C el punto de drenaje del sifón a una altura − h C por debajo de la superficie del depósito superior.

La ecuación de Bernoulli:

v22+gramoy+PAGρ=doonortestanortet{\displaystyle {v^{2} \over 2}+gy+{P \over \rho }=\mathrm {constante} }
v{\displaystyle v\;}= velocidad del fluido a lo largo de la línea de corriente
gramo{\displaystyle g\;}= aceleración gravitatoria hacia abajo
y{\displaystyle y\;}= elevación en el campo gravitatorio
PAG{\displaystyle P\;}= presión a lo largo de la línea de corriente
ρ{\displaystyle \rho \;}= densidad del fluido

Aplique la ecuación de Bernoulli a la superficie del depósito superior. Técnicamente, la superficie está descendiendo a medida que se vacía el depósito superior. Sin embargo, para este ejemplo, supondremos que el depósito es infinito y que la velocidad de la superficie es cero. Además, la presión tanto en la superficie como en el punto de salida C es la presión atmosférica. Por lo tanto:

Aplique la ecuación de Bernoulli al punto A al inicio del tubo del sifón en el depósito superior donde P = P A , v = v A e y = − d

Aplique la ecuación de Bernoulli al punto B en el punto medio alto del tubo del sifón donde P = P B , v = v B e y = h B

Aplique la ecuación de Bernoulli al punto C donde se vacía el sifón. ​​Donde v = v C e y = − h C . Además, la presión en el punto de salida es la presión atmosférica. Por lo tanto:

Velocidad

Como el sifón es un sistema único, la constante en las cuatro ecuaciones es la misma. Igualando las ecuaciones 1 y 4 se obtiene:

022+gramo(0)+PAGatmetroρ=vdo22−gramohdo+PAGatmetroρ{\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{C}^{2} \over 2}-gh_{C}+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }}

Resolviendo para v C :

Velocidad del sifón:
vdo=2gramohdo{\displaystyle v_{C}={\sqrt {2gh_{C}}}}

La velocidad del sifón está determinada únicamente por la diferencia de altura entre la superficie del depósito superior y el punto de drenaje. La altura del punto alto intermedio, h B , no afecta la velocidad del sifón. ​​Sin embargo, dado que el sifón es un sistema único, v B = v C y el punto alto intermedio limita la velocidad máxima. El punto de drenaje no puede descenderse indefinidamente para aumentar la velocidad. La ecuación 3 limitará la velocidad para mantener una presión positiva en el punto alto intermedio y evitar la cavitación . La velocidad máxima puede calcularse combinando las ecuaciones 1 y 3.

022+gramo(0)+PAGatmetroρ=vB22+gramohB+PAGBρ{\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}+{P_{B} \over \rho }}

Estableciendo P B = 0 y resolviendo para v max :

Velocidad máxima del sifón:
vmetroaincógnita=2(PAGatmetroρ−gramohB){\displaystyle v_{\mathrm {max} }={\sqrt {2\left({P_{\mathrm {atm} } \over \rho }-gh_{B}\right)}}}

La profundidad, − d , del punto de entrada inicial del sifón en el depósito superior, no afecta la velocidad del sifón. ​​La ecuación 2 no implica ningún límite para la profundidad del punto de inicio del sifón, ya que la presión P A aumenta con la profundidad d . Ambos hechos implican que el operador del sifón puede realizar la extracción de agua del fondo o de la parte superior del depósito sin afectar el rendimiento del sifón.

Esta ecuación para la velocidad es la misma que la de cualquier objeto que cae desde una altura h C. Esta ecuación asume que P C es la presión atmosférica. Si el extremo del sifón está por debajo de la superficie, no se puede usar la altura hasta el extremo del sifón; en su lugar, se debe usar la diferencia de altura entre los depósitos.

Altura máxima

Aunque los sifones pueden superar la altura barométrica del líquido en circunstancias especiales, por ejemplo, cuando el líquido está desgasificado y el tubo está limpio y liso, [ 80 ] en general la altura máxima práctica se puede encontrar de la siguiente manera.

Igualando las ecuaciones 1 y 3 se obtiene:

022+gramo(0)+PAGatmetroρ=vB22+gramohB+PAGBρ{\displaystyle {0^{2} \over 2}+g(0)+{P_{\mathrm {atm} } \over \rho }={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}+{P_{B} \over \rho }}

La altura máxima del punto intermedio alto se produce cuando es tan alta que la presión en dicho punto es cero; en situaciones típicas, esto provoca la formación de burbujas en el líquido y, si estas se agrandan hasta llenar la tubería, el sifón se "romperá". Estableciendo P B = 0:

PAGatmetroρ=vB22+gramohB{\displaystyle {P_{\mathrm {atm} } \over {\rho }}={v_{B}^{2} \over 2}+gh_{B}}

Resolviendo para h B :

Altura general del sifón:
hB=PAGatmetroρgramo−vB22gramo.{\displaystyle h_{B}={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}-{v_{B}^{2} \over 2g}.}

Esto significa que la altura del punto más alto intermedio está limitada por la presión a lo largo de la línea de corriente, que siempre es mayor que cero.

Altura máxima del sifón:
hB,metroaincógnita=PAGatmetroρgramo{\displaystyle h_{B\mathrm {,max} }={P_{\mathrm {atm} } \over \rho g}}

Esta es la altura máxima a la que funcionará un sifón. ​​Sustituyendo los valores, obtendremos aproximadamente 10 m (33 pies) para el agua y, por definición de presión estándar , 0,76 m (760 mm; 30 pulgadas) para el mercurio. La relación de alturas (aproximadamente 13,6) es igual a la relación de densidades del agua y el mercurio (a una temperatura dada). Mientras se cumpla esta condición (presión mayor que cero), el flujo a la salida del sifón seguirá estando determinado únicamente por la diferencia de altura entre la superficie de origen y la salida. El volumen de fluido en el aparato no es relevante siempre que la presión se mantenga por encima de cero en cada sección. Debido a que la presión disminuye al aumentar la velocidad, un sifón estático (o manómetro) puede tener una altura ligeramente mayor que un sifón en movimiento.    

Funcionamiento en el vacío

Los experimentos han demostrado que los sifones pueden funcionar en el vacío, mediante la cohesión y la resistencia a la tracción entre moléculas, siempre que los líquidos sean puros y desgasificados y las superficies estén muy limpias. [ 4 ] [ 81 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 26 ]

La entrada del Oxford English Dictionary (OED) sobre sifón , publicada en 1911, afirma que un sifón funciona por presión atmosférica . Stephen Hughes, de la Universidad Tecnológica de Queensland, criticó esto en un artículo de 2010 [ 21 ] que fue ampliamente difundido en los medios. [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] Los editores del OED declararon: «Existe un debate continuo entre los científicos sobre cuál punto de vista es el correcto. ... Esperamos reflejar este debate en la entrada totalmente actualizada para sifón, que se publicará a finales de este año». [ 89 ] Hughes continuó defendiendo su punto de vista sobre el sifón en una publicación de finales de septiembre en el blog de Oxford. [ 90 ] La definición de 2015 del OED es:

Un tubo utilizado para transportar líquido desde un depósito hacia arriba y luego hacia abajo a un nivel inferior por sí solo. Una vez que el líquido ha sido introducido en el tubo, generalmente por succión o inmersión, el flujo continúa sin ayuda.

La Encyclopædia Britannica describe actualmente un sifón como:

Sifón, también escrito sifón, instrumento, generalmente en forma de tubo doblado para formar dos brazos de longitud desigual, para transportar líquido por encima del borde de un recipiente y entregarlo a un nivel inferior. Los sifones pueden ser de cualquier tamaño. Su funcionamiento depende de la influencia de la gravedad (no, como a veces se cree, de la diferencia de presión atmosférica; un sifón funciona en el vacío) y de las fuerzas de cohesión que impiden que las columnas de líquido en los brazos del sifón se rompan por su propio peso. A nivel del mar, un sifón puede elevar el agua un poco más de 10 metros (33 pies). En ingeniería civil, se utilizan tuberías llamadas sifones invertidos para transportar aguas residuales o pluviales por debajo de arroyos, terraplenes de carreteras u otras depresiones del terreno. En un sifón invertido, el líquido llena completamente la tubería y fluye a presión, a diferencia del flujo por gravedad en canal abierto que se produce en la mayoría de las alcantarillas sanitarias o pluviales. [ 91 ]

Normas en ingeniería o industria

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) publica la siguiente norma triarmonizada:

  • Norma ASSE 1002/ASME A112.1002/CSA B125.12 sobre los requisitos de rendimiento para válvulas de llenado antisifón (válvulas de flotador) para tanques de descarga de inodoros por gravedad.

Véase también

Referencias

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