たかい ところに ある みずを、ひくい ところへ うつしたい とします。ホースを みずで いっぱいに して、かた方を たかい みずに いれます。もう かた方の でぐちは、いれた みずの おもてより ひくい ところに おきます。すると、ポンプが なくても、みずは ながれつづけます。

ホースの まん中は、みずの おもてより たかく なって いても だいじょうぶです。ふしぎですよね。

こたえは、でぐちの がわに あります。でぐちの がわの ながい みずの はしらが、じゅうりょくで したへ おちようと します。すると、みじかい がわの みずが ひっぱられて、のぼって いきます。みずを すいあげて いるのでは なく、おちる みずに ひっぱられて いるのです。

たとえば、さかの うえから ながい ひもを たらすと、ひもが するすると すべって おちて いくのに にています。ただし ひもと ちがって、みずは ばらばらに ならずに つながって うごきます。

水槽の水を抜く場面を思い浮かべてください。ホースを水で満たし、片方の端を高い水面に入れ、もう片方の出口を、入れた水面よりも低い場所に置きます。途中に水面より高い所があっても、ポンプなしで水は流れ続けます［1］。

水を動かしているのは、出口側です。出口側の長い水の柱が重力で下へ引かれ、そのぶんだけ短い側の水が引き上げられます。ですから、水を「吸い上げている」わけではありません［2］。

ひもを机のふちからたらすと、長いほうの重みでひもが引かれて滑り落ちていくのに似ています。ただし、ひもは切れてしまうこともありますが、水はつながったまま動く点がちがいます。

では、昔からよく聞く「空気が水を押し上げる」という説明は、どこがおかしいのでしょうか。

水を満たした管の一端を高い水面に入れ、出口を入口の水面より低くすると、途中に水面より高い所（頂上）があっても、ポンプなしで水が流れ続ける。これがサイフォンである［1］。

流れを生む直接の原因は重力である。出口側の長い水柱が下へ引かれるとき、管の中の水がつながっていれば、短い入口側の水も一緒に頂上を越えて引かれる［2］。したがって、水は吸い上げられているのではなく、落ちる水に引かれて移動している。ひもを机のふちから垂らすと、長いほうの重みでひも全体が滑り落ちるのと似ているが、水の場合はひもと異なり、水が切れずにつながっていることが条件になる。

では、この「水がつながっている」状態は、何によって保たれているのか。そして、教科書や辞典が長く書いてきた「大気圧が押し上げる」説明とは、どう関係するのか。

むかしから、「サイフォンは、くうきが みずを おしあげて うごく」と いわれて きました。イギリスの おおきな じてんにも、そう かいて ありました。

2010ねんに、オーストラリアの ヒューズさんが、この せつめいに ぎもんを もちました。じてんは、その あと くうきの ことばを けしました。

2014ねん、ヒューズさんたちは、くうきを うんと うすくした へやに、たかさ 1.5メートルの サイフォンを おいて 実験じっけんしました。くうきの おす ちからが、ふだんの 18パーセントほどに へっても、みずの ながれは ほとんど かわりませんでした。

もし くうきが おしあげて いたのなら、そんなに へったら とまりそうです。ヒューズさんたちは、くうきが みずを おしこんで いる のでは ないと かんがえました。

ホースの水が高い所を越えるのは、空気が水を押し上げるからだ、という説明が長く広まっていました。オーストラリアのクイーンズランド工科大学のスティーブン・ヒューズ氏は、オックスフォード英語辞典がサイフォンの働きを大気圧のせいだと書いている点を2010年に指摘しました。辞典は大気圧への言及を外しましたが、ヒューズ氏は、新しい説明もあいまいだと述べています［2］。

2014年、ヒューズ氏らは高さ1.5mのサイフォンを低圧室に置いて動かしました。気圧を約0.18気圧、つまり海面のおよそ18%まで下げても、流れはほぼ変わりませんでした。これは高度約1万2千m（40,000フィート）の空にあたります。さらに気圧を下げると水の柱が2本に分かれる様子が見られましたが、気圧を戻すとまたつながったと報告されています［3］。

もし空気が水を押し上げていたなら、気圧をこれほど下げれば流れが弱まるはずです。ヒューズ氏らは、大気が水を押し込んでいるのではないと論じました［2］。ただし、これは一つの研究グループの論じたことで、「大気圧は無関係」と決まったわけではありません。

では、大気圧はこの仕組みで、何の役目をしているのでしょうか。

サイフォンについては、空気の圧力が液体を低圧の頂上へ押し上げるという伝統的な見方がある。一方で、液体は鎖が滑車を越えて引かれるように頂上を越えて引かれる、と考える立場もある。後者なら、真空中でも動作が説明できる［1］。

この対立をはっきりさせたのが、クイーンズランド工科大学のヒューズらである。ヒューズは2010年に、オックスフォード英語辞典がサイフォンの働きを大気圧のせいにしている点を指摘した。辞典はその言及を外したが、新しい記述もあいまいだとヒューズは述べている［2］。

2014年のヒューズとグルンの論文では、高さ1.5mのサイフォンを低圧室に置いた。約0.18気圧（海面の約18%、高度40,000フィート＝約1万2千m相当）でも流れはほぼ変わらず、41,000フィート相当まで下げると水柱が2本に分かれ、気圧を戻すと再びつながった［3］。大気圧が水を押し上げているなら、これほど気圧が低いと流れは大きく変わるはずである。そこで彼らは、大気が水を押し込んでいるのではないと論じた［2］。ただし抄録と報道にもとづく要旨なので、「真空でも動く」とまでは言えず、確かめられたのは0.18気圧付近までである。

では、大気圧は不要なのか。論文の結論は、大気圧が静水圧の特徴を説明し、分子の凝集力が流れ（動的な面）を説明する、というものだった［3］。この役割分担が、次の章の中心になる。

みずは、ちいさな つぶが ひっぱり あって、くさりの ように つながって います。この つなぐ ちからが、みずを のぼらせる ために、たいせつです。くうきは、みずを おしあげる のでは ありません。みずの おもてを おして、くだの なかで みずが とぎれないように している、と せつめい する ほうほうも あります。

こうして、おちる みずと つなぐ ちからが いっしょに はたらいて、みずは たかい ところを こえます。

けれども、サイフォンには たかさの かべが あります。いちばん たかい ところが、およそ 10メートルを こえると、そこで みずの なかに 泡あわが できて、みずの はしらが きれて しまうのです。泡あわが できると、つながりが きれて、ながれが とまります。

10メートルは、いつも ぴったり おなじでは ありません。くうきの おもさや、みずの ようすで、すこし かわります。

水の分子どうしは引き合っていて、水は引っ張られても簡単には切れません。この「凝集力」が、水を鎖のようにつなぎます。サイフォンの水は、鎖が滑車を越えて引かれていくように、頂上を越えて動くとも説明されます［1］。京都大学の理科教室でも、水分子が鎖のようにつながるイメージでサイフォンを理解する実験が紹介されています［6］。

大気圧の役目は、水を押し上げることではなく、水面に圧力をかけ続けて、管の中の水が途切れないようにすることだ、と説明するモデルもあります。2014年の論文の結論も、大気圧が静水圧の特徴を、凝集力が流れの面を説明する、というものでした［3］。ただし、どちらの見方で説明するかは今も議論があり、周囲の気圧によって両方が当てはまる場合もあるとされます［1］。

よく「サイフォンの高さは約10mまで」と言われます。その理由は、頂上が約10mを超えると、頂上の圧力が水の蒸気圧より低くなり、水の中に泡（キャビテーション）ができて水の柱が切れるからです。海面の大気圧で水の柱を支えられる高さの目安は約10.3mです［4］。この値は気圧や水の状態で変わり、固定の数字ではありません。

泡さえできなければ、10mを越えられるのでしょうか。

サイフォンを動かす力の見方は、大きく二つある。(a)大気圧と重力で説明する立場と、(b)重力と水の凝集力（引っ張りに耐える力）で説明する立場である。(b)では、鎖が滑車を越えて引かれる様子が比喩に使われ、(a)では真空中の動作を説明できない。ただし、周囲の気圧によって両方が当てはまる場合もあるとされ、決着したとは言えない［1］。京都大学の理科教室は、水分子が鎖のようにつながるイメージでサイフォンを理解する実験も紹介している［6］。

大気圧は無関係ではない。押し上げではなく、水面に圧力をかけ続けて管内の水が途切れないよう支える役目だと説明するモデルがあり、これが高さの限界に関わる。2015年のボートライトとヒューズらの論文によれば、よく言われる約10mの限界は、頂上の圧力が水の蒸気圧を下回って泡ができるキャビテーションのためである。大気圧モデルでは10.18m、凝集力モデルでは9.94m（いずれも99.8kPa）という予測が示され、海面の大気圧で水の柱を支えられる高さの目安は約10.3mである［4］。この値は気圧や水質で変わる。

ここで一つの問いが残る。限界の原因が「泡ができること」なら、泡ができない水を使えば、限界を越えられるはずである。

2015ねん、ヒューズさんたちは、みずから くうきや ガスを、じかんを かけて ぬきました。みずを くうきを ぬいた ようきに すうじかんから すうしゅうかん おいて、泡あわの もとを へらしたのです。

この みずを つかうと、たかさ およそ 15メートルの サイフォンが、ふつうの くうきの もとで うごきました。泡あわが できなかったので、みずの はしらが きれなかったのです。

チリの 研究者けんきゅうしゃも、べつの ほうほうで しました。みずに、泡あわを つくりにくい ものを まぜて、15.4メートルの サイフォンを つくりました。ながれは 224びょう つづいて、てっぺんに 泡あわが できて とまりました。

ただし、ふつうの みずと ホースで 15メートルに なるわけでは ありません。

2015年、ヒューズ氏らは、水を真空の中に数時間から数週間置いて、溶けている気体をあらかじめ抜く（脱気する）実験をしました。この水を使うと、高さ約15m（1498〜1504cm）のサイフォンが、海面の気圧のもとで動きました。泡（キャビテーション）ができなかったからです。この結果は、サイフォンが重力と分子の凝集力で動くという考えを支えるものです［4］。

別の研究者も、同じ限界を越えました。チリの研究者らは、界面活性剤を加えた水で高さ15.4mのサイフォンを作り、流れは224秒続いたあと、頂上に泡ができて止まったと報告しています［5］。15.4mは約10.3mの約1.5倍にあたります。

この二つは、特別に準備した水での実験です。普通の水とホースで15mになる、という意味ではありません［4］。それでも「約10mの壁」は、水のつながりが切れる条件だったことが見えてきます。

ところで、サイフォンには、ずっと昔にも不思議な使い道がありました。

限界の原因が泡ならば、泡ができないようにすればよい。2015年のボートライト、ヒューズ、バリーは、水を真空に数時間〜数週間置いて気体を抜く脱気を行った。この水で、高さ約15m（1498〜1504cm）のサイフォンが海面の気圧のもとで動いた。泡ができなかったためで、サイフォンは重力と分子の凝集力で動くという考えを支える結果とされる［4］。

独立の追試に近いものとして、チリのベラらは界面活性剤入りの水で高さ15.4mのサイフォンを作った。流れは224秒続き、その後に頂上で泡が生じて止まった［5］。15.4mは約10.3mの約1.5倍にあたる。ただし両者の先後や「最初の例か」をめぐっては論争があり、ここでは扱わない。

なお、どちらも特別に処理した水を用いた実験である。普通の水とホースで15mが実現するわけではない［4］。約10mは固定値ではなく、泡の生じやすさ、つまり気圧と水の状態に左右される限界だったと整理できる。

サイフォンは、とても むかしから つかわれて きました。きげんぜん 1500ねんごろの、こだいエジプトの ほりものに、おおきな つぼから えきたいを とる サイフォンが かかれて いると いわれて います。

ふしぎな のみものカップも あります。ピタゴラスの カップとか、よくばりカップと よばれる ものです。まん中に はしらが たって いて、その なかを、ほそい くだが とおって います。のみものを はしらの たかさより おおく そそぐと、サイフォンが はたらいて、そこから ぜんぶ ながれでて しまうのです。

いちばん ふるい れいは、きげんぜん 6せいきごろの サモスとうと いわれます。でも、ピタゴラスが つくったか どうかは、わかって いません。

サイフォンは、とても昔から使われてきました。紀元前1500年ごろの古代エジプトの壁画に、大きな壺から液体を取り出すサイフォンが描かれているとされます［1］。古代ギリシアの技師ヘロンは、著書『プネウマティカ』でサイフォンを詳しく論じ、9世紀のバグダッドでも、バヌー・ムーサー兄弟の『巧妙な装置の書』に登場するといわれます［1］。

面白い例が「ピタゴラスのカップ」、別名「欲張りカップ」です。カップの中央にポールが立ち、その中をU字の管が通っています。注いだ飲み物の高さがポールの高さを超えると、サイフォンが働いて、中身が底からすべて流れ出てしまいます［7］。日本でも、長岡の「十分盃（じゅうぶんはい）」が同じ型だとされます。

最古の例は、紀元前6世紀ごろのサモス島といわれますが、ピタゴラスが作ったかどうかは不明です［7］。17世紀になると、トリチェリやパスカルらが「自然は真空を嫌う」という考えを退けたとされ（Wikipediaの記述）［1］、サイフォンの説明も長く議論されてきました。いまも、それは続いています。

サイフォンの歴史は古い。紀元前1500年ごろの古代エジプトのレリーフに、大きな壺から液体を取り出す様子が描かれているとされる。古代ギリシアのヘロン（Hero of Alexandria）は『プネウマティカ』でサイフォンを広く論じ、9世紀のバグダッドのバヌー・ムーサー兄弟も『巧妙な装置の書』に二重の同心サイフォンを記した［1］。17世紀には、トリチェリやパスカルらが「自然は真空を嫌う」という説を退けたとされる。ただし、これらは二次資料の記述であり、細部は断定しない。

生活に近い例が「ピタゴラスのカップ（欲張りカップ）」である。中央のポールの内部をU字管が通り、液面がポールの高さを超えると、サイフォンが動いて中身が底からすべて流れ出る［7］。日本の長岡の「十分盃」も同型とされる。最古の例はサモス島の紀元前6世紀ごろとされるが、ピタゴラスが作ったかは不明で、発明者や年代は確かではない。

頂上の高さが仕掛けを決めるという点で、このカップでは、液面が管の頂上を越えると中身が流れ出す。第3章の「約10mの限界」とは別の話だが、どちらも管の頂上の高さが関わる点は共通する。

おうちの ひとと いっしょに

おふろばや にわで、おうちの ひとと いっしょに やって みましょう。バケツに みずを いれ、ほそい くだを みずで いっぱいに して、りょうはしを ゆびで おさえます。かた方を バケツに いれ、もう かた方を バケツの みずより ひくい ところで はなします。みずが ながれます。

でぐちを すこしずつ もちあげると、どこで ながれが とまるでしょうか。くだの なかに 泡あわが はいると どうなるかも、みて みましょう。

しらべる とき

きょうとだいがくの りかきょうしつの ページに、みずの つぶが つながる ようすを たしかめる じっけんが のって います。おうちの ひとと よんで みましょう。

今日できること

お風呂場や庭で、家の人と一緒に試せます。透明な細い管かホースを水で満たして両端を指でふさぎ、片端を水を入れたバケツの水に入れます。もう片端を、バケツの水面より低い所で離すと、水が流れます。出口を少しずつ持ち上げていくと、どの高さで流れが止まるかを確かめられます。管の中に泡が入ったときにどうなるかも観察してみてください。水をこぼしてもよい場所を選び、足元がぬれたらすぐふいてください。

資料を読むなら

京都大学の理科教室のページに、水分子が鎖のようにつながるイメージでサイフォンを理解する実験が紹介されています［6］。出口の高さを変えたり、管に泡を入れたりして、流れ方がどう変わるかを見るのが、いちばんの資料になります。

今日できること

透明な管かホースで、サイフォンを作って観察できる。水を満たした管の両端を指でふさぎ、片方を水を入れた容器に入れ、もう片方を容器の水面より低い所で離す。出口の高さを変えて流れが止まる位置を調べ、さらに管の途中に空気の泡を入れたとき流れがどう変わるかを見る。泡が入ると水がつながらなくなるという、第3章・第4章の「泡が限界を決める」という考えを、自分の手で確かめる実験である。水をこぼしてよい場所で行い、足元に注意する。

資料を読むなら

2014年のヒューズとグルンの論文［3］、2015年のボートライトらの論文［4］、チリの研究者らの論文［5］は、いずれも英語の一次資料だが、公開されている。抄録の数字（0.18気圧、約15m、15.4m）が本文のどこで出てくるかを探すと、報道の要約と原典のちがいが分かる。京都大学の理科教室の実験紹介［6］は日本語で読める。