Aquest estiu em va tocar arreglar el sistema de càrrega i descàrrega de la tassa d’un vàter i mentre ho feia vaig pensar en la broma que fem molt sovint amb l’Anicet Cosials quan no tenim clar com funciona un fenomen determinat i expliquem: això funciona per “l’efecte sifó”.

La gracieta, que si més no son “paraules verbals” en expressió d’Alvaro de Rújula, ve dels molts fenòmens hidràulics dels que ens han explicat el seu funcionament simplement apel·lant a “l’efecte sifó” i quedant-se tant amples. No és trivial com funcionen els sifons i, malgrat que hi ha discussió al respecte, intentaré fer cinc cèntims sobre el que pot significar “efecte sifó”.

El sifó invertit

Un sifó és una eina o una instal·lació hidràulica que s’utilitza per a transferir líquids. Quan es parla de sifons podem estar pensant en dos tipus; uns son els sifons invertits en forma d’U dreta que ja utilitzaven els romans en els seu aqüeductes per a passar una vall o el de la tassa del vàter, per exemple, on s’aplica el principi dels vasos comunicants i és de plena utilitat el principi de Bernoulli. L’altre tipus és el sifó en forma d’U invertida (el sifó dret, el de la foto del riu de dalt) en el qual no està tant clar què és el que passa.

El sifó (dret)

El sifó dret comença a funcionar quan el tub (mireu la figura de la dreta), que en principi ha d’estar ple de líquid, té un extrem submergit al recipient d’on surt el líquid (A) i l’altre al punt de destinació (C) més baixo. El líquid flueixi cap amunt i després cap avall, superant la diferència d’alçada entre els dos punts A i B. Aquest procés continua fins que l’extrem submergit del sifó queda fora del líquid o fins que els nivells de líquid s’igualen.

Hi ha dues teories principals sobre com el líquid flueix en els sifons inicialment cap amunt, contra la gravetat, sense ser bombat, i alimentat només per la gravetat.

La teoria tradicional diu que pel costat de la sortida del líquid del sifó la gravetat atrau el fluid cap avall el que proporciona una pressió reduïda a la part superior del sifó (B). Aleshores la pressió atmosfèrica és capaç d’empènyer cap amunt el líquid del dipòsit superior (A) ja que la pressió a la part superior del sifó és prou reduïda, de la mateixa manera que puja el refresc amb una palleta de beure.

Resulta però, que s’ha demostrat que els sifons poden operar al buit i a altures que superen l’alçaria baromètrica del líquid (l’altura de líquid que és aguantada per la pressió d’una atmosfera). Per aquestes casos s’ha proposat la teoria de la tensió de cohesió, on el líquid es mou en el sifó d’una manera similar a la d’una cadena, en la que les molècules del líquid estirarien unes de les altres. Seria una mena de resurrecció de la teoria del “horror vacui” d’Aristòtil. Podeu mirar l’article A practical example of a siphon at work (Physics Education, 45(2), pp. 162-166) on el professor Stephen W. Hughes (2010), de la Universiat de Tecnologia de Queensland (Australia), defensa aquesta teoria.

No conec una síntesi de les dues teories, però sembla raonable que ambdues teories puguin ser correctes en diferents circumstàncies de pressió ambiental, és a dir, que siguin complementàries.

Per una banda, quan no hi ha una pressió atmosfèrica significativa, amb pressions molt petites o al buit, és evident que la teoria de la gravetat i la pressió atmosfèrica no pot explicar com funcionen els sifons.

Però en la vida real normalment els sifons funcionen a pressions elevades (a la pressió atmosfèrica, i en relació a aquesta força la de cohesió és molt petita) i a la superfície terrestre (amb gravetat) i des de aquest punt de vista la teoria a aplicar normalment hauria de ser la que té en compte aquestes circumstàncies.

A més la teoria la tensió de cohesió no pot explicar els sifons de gas de CO2 on la cohesió entre les molècules és petitíssima, sifons que funcionen malgrat les bombolles, i tampoc el sifó de gota voladora, on els gasos de la part alta del sifó no exerceixen forces d’atracció significatives, i els líquids que no estan en contacte no poden exercir una força de tensió cohesiva.

Una defensa de la teoria de la pressió i la gravetat la podeu llegir en Siphons, Revisited (The Physics Teacher, Vol. 49) dels professors Alex Richert i P.-M. Binder (2011), de la Universitat de Hawaii a Hilo. És un article en el que expliquen diversos experiments que avalen les seves tesis i que es poden realitzar fàcilment en un laboratori escolar.

En tot cas totes les teories publicades conegudes avui en dia reconeixen l’equació de Bernoulli com una aproximació prou bona per analitzar el funcionament del sifó ideal i sense fricció.

Si voleu aprofundir us recomano la lectura de l’entrada en anglès sobre el sifó de l’enciclopèdia Wikipedia que m’ha servit molt i molt per escriure aquesta pròpia entrada. Conté una discussió detallada de les teories de les que he parlat i unes referències a les fonts que permeten un estudi a fons del fenomen. També fa una relació de diferents tipus de sifons i l’estudi de l’aplicació del teorema de Bernoulli als sifons.

Experimentació amb sifons

Els sifons ofereixen una excel·lent oportunitat perquè els estudiants explorin conceptes de física com la pressió, la gravetat i la mecànica de fluids. L’experiència més senzilla consisteix en buidar amb l’ajut d’un tub de goma un recipient ple d’aigua que es troba sobre una taula en un altre que està a terra, però també es poden fer les que descriu l’article de Richert i Binder esmentat més amunt.

Un experiment clàssic quantitatiu consisteix a estudiar la velocitat de sortida i la pressió d’un líquid a la mànega d’un sifó, utilitzant l’equació de Bernoulli i observant com varia la velocitat de sortida en canviar l’alçada de l’extrem lliure del tub.

I per acabar uns vídeos de sifons curiosos: la copa de Pitàgores o vas de Tàntal, un sifó auto iniciat i con fer una font d’Heró.

---