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사이펀

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목차

1. 개요

사이펀은 액체를 높은 위치에서 낮은 위치로 관을 통해 흐르게 하는 장치이다. 고대 이집트 시대부터 사용되었으며, 피타고라스의 컵, 알렉산드리아의 헤론의 저서, 바누 무사 형제의 이중 동심원 사이펀 등 역사적으로 다양한 형태로 연구되었다. 사이펀은 중력, 압력 차이, 액체의 증기압 등의 요인에 의해 작동하며, 베르누이 방정식으로 설명될 수 있다. 사이펀의 작동 원리에 대한 오해와 현대적 연구가 진행되었으며, 액체 인장 강도가 사이펀 작동에 필수적이지 않다는 것이 밝혀졌다. 관개, 와인 및 맥주 발효, 자가 제작 펌프 등 다양한 분야에 활용되며, 간헐 냉천, 동굴, 강 등 자연 현상에서도 유사한 원리를 찾아볼 수 있다.

2. 역사

사이펀의 역사는 고대 이집트 시대로 거슬러 올라간다. 기원전 1500년경 고대 이집트 부조에는 큰 저장 항아리에서 액체를 추출하는 데 사용된 사이펀이 묘사되어 있다.[6][7][94][95]

기원전 6세기 사모스 섬의 피타고라스의 정의의 컵과 기원전 3세기 고대 그리스 기술자들이 페르가몬에서 만든 사이펀은 그리스인들이 사이펀을 이용한 물리적 근거를 보여준다.[7][8][95][96]

알렉산드리아의 헤론은 논문 ''Pneumatica''에서 사이펀에 대해 광범위하게 기록했다.[9][97]

9세기 바그다드의 바누 무사 형제는 그들의 ''기묘한 장치의 책''에서 이중 동심원 사이펀을 발명했다.[10][11] 도널드 힐이 번역한 판에는 해당 사이펀에 대한 분석이 포함되어 있다.[98][99]

사이펀은 17세기에 흡입 펌프 (그리고 최근 개발된 진공 펌프)의 맥락에서 펌프(및 사이펀)의 최대 높이와 초기 기압계 상단의 겉보기 진공을 이해하기 위해 추가적으로 연구되었다. 이는 처음에는 갈릴레오 갈릴레이가 진공의 공포/공포 (물리)la ("자연은 진공을 혐오한다") 이론으로 설명했는데, 이 이론은 아리스토텔레스에서 유래되었으며, 갈릴레오는 이를 resintenza del vacuola로 재진술했지만, 나중에 에반젤리스타 토리첼리와 블레즈 파스칼[12]를 비롯한 후대 연구자들에 의해 반증되었다.

파스칼의 사이펀, 물통 안에 두 개의 수은 비커를 보여주며, 사이펀이 "자연은 진공을 혐오한다"는 것이 아니라 대기압에 의해 작동함을 보여준다.


한국에서는 조선시대 자격루(물시계)에 사이펀 원리가 활용된 예가 있다.

3. 작동 원리

전형적인 대기압과 관 높이에서 작동하는 실용적인 사이펀은 중력이 더 높은 액체 기둥을 아래로 당기면서 사이펀 상단에 압력이 감소하기 때문에 작동한다(공식적으로 액체가 움직이지 않을 때의 수압). 사이펀 상단의 이 감소된 압력은 더 짧은 액체 기둥을 아래로 당기는 중력이 사이펀 상단의 감소된 압력 구역으로 액체를 밀어 올리는 대기압에 대항하여 액체를 정지 상태로 유지하기에 충분하지 않다는 것을 의미한다.[13][16] 따라서 액체는 상단 저수지의 고압 영역에서 사이펀 상단의 저압 영역으로 흘러 사이펀 상단을 넘어 중력과 더 높은 액체 기둥의 도움을 받아 출구의 고압 영역으로 흘러간다.[13][16]

B"로 표시된 부분이 A"보다 무거워서 아래로 당겨지는 체인 모델은 사이펀 작동에 대한 결함이 있지만 유용한 비유입니다.






비행 방울 사이펀으로 열대 과일 펀치를 사이펀하는 시연


서로 상쇄되는 것처럼 보이는 동일하고 반대되는 힘의 예이지만 왼쪽에 있는 겉보기에 상쇄된 힘은 겉보기에 상쇄된 힘이 남아 있는 방식과 유사하게 물체를 위로 밀어 올립니다. 사이펀의 각 끝에서 동일하고 반대되는 대기압은 액체를 위로 밀어 올릴 수 있습니다. (자동차는 서로 연결되어 있지 않으므로 서로 당기지 않고 밀어낼 뿐입니다.)


사이펀은 어떤 액체를 높은 위치의 출발 지점과 낮은 위치의 목적 지점을 관으로 연결하여 흐르게 할 때, 관 내부가 액체로 채워져 있으면, 관의 중간에 출발 지점보다 높은 지점이 있더라도 펌프로 끌어올릴 필요 없이 계속 흐르는 현상이다.

== 체인 모델 ==

사이펀은 액체를 사슬에 비유하여 설명할 수 있다. 사슬이 출발 지점보다 높은 위치에 있는 도르래를 경유하여 다른 쪽으로 이동하는 모델[100]로 설명할 수 있다. 체인의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 높은 표면에 쌓여 있을 때, 더 무거운 쪽 체인이 아래로 움직이며 가벼운 쪽 체인을 끌어올리는 것처럼, 사이펀에서도 중력이 액체를 이동시키는 힘으로 작용한다.

체인 모델은 사이펀 작동을 이해하는 데 유용한 비유이지만, 액체 내 인장 강도, 용해된 가스, 증기압 등의 요인을 고려하지 않는다는 한계가 있다. 예를 들어, 수은의 경우 약 76센티미터, 물의 경우 약 10미터 높이의 출발 지점을 통과하는 사이펀을 만들 수 있지만, 실제로는 용존 기체도 존재하기 때문에 캐비테이션의 시작은 더 빠르다. 물의 경우, 7미터에서 8미터가 실용적인 한계로 여겨진다[101]。

== 압력 차이 ==

사이펀 내부가 액체로 채워져 있을 때 관 내부의 정압을 고려하면, 출발 지점에서의 정압은 목적 지점에서의 정압보다 액주(液柱)의 높이 차이에 해당하는 무게만큼 더 높아지며, 이 압력 차이를 구동력으로 하여 액체는 목적 지점으로 흐른다.[100]

중간에 얼마나 높은 지점을 통과할 수 있는지는 대기압 및 액체의 증기압과 밀도에 따라 달라진다. 최고 지점에서 관 내부의 압력이 액체의 증기압에 가까워지면 액체는 캐비테이션을 일으키기 시작하며, 기포의 팽창이 중력에 의한 압력 차이를 흡수하여 결국 사이펀은 멈추게 된다.

1기압 하에서 액체의 밀도만 고려하면, 수은의 경우 약 76센티미터, 물의 경우 약 10미터 높이의 출발 지점을 통과하는 사이펀을 만들 수 있지만, 실제로는 용존 기체도 존재하기 때문에 캐비테이션의 시작은 더 빠르다. 물의 경우, 7미터에서 8미터가 실용적인 한계로 여겨진다.[101]

== 베르누이 방정식 ==

베르누이 방정식은 사이펀의 작동에 대한 공정한 근사치로 과학 문헌에서 간주된다. 비이상적인 유체에서는 유체의 압축성, 인장 강도 및 기타 특성(또는 여러 유체)이 베르누이 방정식을 복잡하게 만든다.

일단 시작되면 사이펀은 액체를 위로 끌어올리고 저수지에서 빼내는 데 추가적인 에너지가 필요하지 않다. 사이펀은 수위가 흡입구 아래로 떨어져 공기 또는 기타 주변 가스가 사이펀을 끊거나 사이펀 출구가 저수지 수위와 같아질 때까지 저수지에서 액체를 끌어낸다.

대기압, 액체의 밀도, 중력 외에도 실용적인 사이펀의 최대 높이는 액체의 증기압에 의해 제한된다.

== 액체 인장 강도 ==

사이펀에 대한 가끔 있는 오해는 액체의 인장 강도에 의존하여 액체를 위로 당겨 올린다는 것이다.[13][16] 물이 일부 실험(예: z-tube[17])에서 상당한 인장 강도를 갖는 것으로 밝혀졌고 진공 사이펀이 그러한 응집력에 의존하는 반면 일반적인 사이펀은 기능하기 위해 액체 인장 강도가 전혀 필요하지 않다는 것을 쉽게 입증할 수 있다.[15][13][16] 또한 일반적인 사이펀은 사이펀 전체에서 양의 압력으로 작동하므로 분자가 압력에 저항하기 위해 서로 끌어당기는 것이 아니라 실제로 서로 밀어내기 때문에 액체 인장 강도에 기여하지 않는다.[15]

2010년, 호주 퀸즐랜드 대학교의 물리학자 스티븐 휴즈가 사전 등 사회에서 일반적으로 설명되는 사이펀의 원리가 잘못되었다고 지적했다[102]。사이펀 원리에 대한 설명의 대부분은 대기압의 힘에 의한 것으로 여겨지지만, 휴즈는 정확히는 중력에 의한 것이라고 지적했다. 휴즈가 이 사실을 깨닫게 된 계기가 된 옥스퍼드 영어 사전은 1911년부터 대기압에 의한 것이라고 설명하고 있으며, 다음 판에서 휴즈의 지적을 고려하겠다고 답변했다[102]。

== 현대적 연구 ==

1948년, 맬컴 노크스(Malcolm Nokes)는 대기압과 부분 진공 상태에서 작동하는 사이펀을 연구했다.[15]

에든버러 대학교의 포터와 반스는 1971년에 사이펀의 이론을 재검토하고 대기압에서 사이펀에 대한 실험을 수행했다.[21]

2010년 퀸즐랜드 공과대학교의 휴즈는 중력, 압력, 분자 응집력을 연구하여 사이펀 하단에서 물의 흐름은 유입과 유출 사이의 높이 차이에 따라 달라지며, 대기압에 의존할 수 없다고 결론 내렸다.[18] 2011년, 휴즈는 추가 연구를 통해 대기압에서 작동하는 일반적인 사이펀이 대기압이 아닌 중력을 통해 작동한다는 것을 보여주었다.[22] 휴즈는 옥스퍼드 영어 사전이 1911년부터 사이펀의 원리를 대기압에 의한 것이라고 설명한것은 잘못되었으며, 중력에 의한 것이라고 지적했다.[102]

2011년, 부자 연구자인 라메트와 라메트는 대기압에서 이산화 탄소를 사이펀화했다.[23]

같은 해 하와이 대학교의 리처트와 바인더는 사이펀을 조사했다.[13] 노팅엄 대학교의 보트라이트, 푸틱, 라이선스 연구팀도 고진공 조건에서 사이펀을 작동시켰다.[24]

밀러스빌 대학교의 J. 두리는 Physics Today에 기고한 글에서 사이펀 튜브 내 압력 차이와 액체의 인장 강도가 사이펀 작동에 모두 필요하다고 언급했다.[25]

훔볼트 주립 대학교의 A. 맥과이어는 2012년에 LS-DYNA를 사용하여 사이펀 내의 압력 초기화, 흐름, 압력 전파를 조사했다.[26]

2014년, 퀸즐랜드 공과대학교의 휴즈와 구룽은 다양한 대기압 하에서 물 사이펀을 작동시켜 사이펀 흐름이 주변 기압과 독립적임을 확인했다. 베르누이 방정식과 푸아죄유 방정식을 이용한 분석을 했다.[27]

3. 1. 체인 모델

사이펀은 액체를 사슬에 비유하여 설명할 수 있다. 사슬이 출발 지점보다 높은 위치에 있는 도르래를 경유하여 다른 쪽으로 이동하는 모델[100]로 설명할 수 있다. 체인의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 높은 표면에 쌓여 있을 때, 더 무거운 쪽 체인이 아래로 움직이며 가벼운 쪽 체인을 끌어올리는 것처럼, 사이펀에서도 중력이 액체를 이동시키는 힘으로 작용한다.

체인 모델은 사이펀 작동을 이해하는 데 유용한 비유이지만, 액체 내 인장 강도, 용해된 가스, 증기압 등의 요인을 고려하지 않는다는 한계가 있다. 예를 들어, 수은의 경우 약 76센티미터, 물의 경우 약 10미터 높이의 출발 지점을 통과하는 사이펀을 만들 수 있지만, 실제로는 용존 기체도 존재하기 때문에 캐비테이션의 시작은 더 빠르다. 물의 경우, 7미터에서 8미터가 실용적인 한계로 여겨진다[101]。

3. 2. 압력 차이

사이펀 내부가 액체로 채워져 있을 때 관 내부의 정압을 고려하면, 출발 지점에서의 정압은 목적 지점에서의 정압보다 액주(液柱)의 높이 차이에 해당하는 무게만큼 더 높아지며, 이 압력 차이를 구동력으로 하여 액체는 목적 지점으로 흐른다.[100]

중간에 얼마나 높은 지점을 통과할 수 있는지는 대기압 및 액체의 증기압과 밀도에 따라 달라진다. 최고 지점에서 관 내부의 압력이 액체의 증기압에 가까워지면 액체는 캐비테이션을 일으키기 시작하며, 기포의 팽창이 중력에 의한 압력 차이를 흡수하여 결국 사이펀은 멈추게 된다.

1기압 하에서 액체의 밀도만 고려하면, 수은의 경우 약 76센티미터, 물의 경우 약 10미터 높이의 출발 지점을 통과하는 사이펀을 만들 수 있지만, 실제로는 용존 기체도 존재하기 때문에 캐비테이션의 시작은 더 빠르다. 물의 경우, 7미터에서 8미터가 실용적인 한계로 여겨진다.[101]

3. 3. 베르누이 방정식

베르누이 방정식은 사이펀의 이상적인 유량과 이론적인 최대 높이를 도출하기 위해 적용될 수 있다.[100]
베르누이 방정식 설명


상부 저수조의 표면을 기준 고도로 설정한다. 지점 A는 사이펀의 시작점이며, 상부 저수조 내부에 잠겨 있고, 상부 저수조 표면 아래 −''d'' 깊이에 위치한다. 지점 B는 사이펀 튜브의 중간 최고점이며, 상부 저수조 표면 위 +''h''B 높이에 위치한다. 지점 C는 사이펀의 배출 지점이며, 상부 저수조 표면 아래 −''h''C 높이에 위치한다.

베르누이 방정식은 다음과 같다.

: {v^2 \over 2}+gy+{P \over \rho}=\mathrm{constant}

:v \; = 유선을 따른 유체 속도

:g \; = 중력 가속도 (아래 방향)

:y \; = 중력장 내 고도

:P \; = 유선을 따른 압력

:\rho \; = 유체 밀도

상부 저수조 표면에 베르누이 방정식을 적용하면, 표면의 속도는 0으로 설정할 수 있고, 표면과 배출 지점 C에서의 압력은 대기압이므로 다음과 같다.

: {0^2 \over 2}+g(0)+{P_\mathrm{atm} \over \rho}=\mathrm{constant}

사이펀이 작동하는 원리는 액체를 사슬에 비유하여 설명할 수 있다. 사슬이 출발 지점보다 높은 위치에 있는 도르래를 경유하여 다른 쪽으로 이동하는 모델과 같다.[100] 관 내부가 액체로 채워져 있을 때 관 내부의 정압을 고려하면, 출발 지점에서의 정압은 목적 지점에서의 정압보다 액주(液柱)의 높이 차이에 해당하는 무게만큼 더 높아지며, 이 압력 차이를 구동력으로 하여 액체는 목적 지점으로 흐른다.

중간에 얼마나 높은 지점을 통과할 수 있는지는 대기압 및 액체의 증기압과 밀도에 따라 달라진다. 최고 지점에서 관 내부의 압력이 액체의 증기압에 가까워지면 액체는 캐비테이션을 일으키기 시작하며, 기포의 팽창이 중력에 의한 압력 차이를 흡수하여 결국 사이펀은 멈추게 된다. 1기압 하에서 액체의 밀도만 고려하면, 수은의 경우 약 76센티미터, 물의 경우 약 10미터 높이의 출발 지점을 통과하는 사이펀을 만들 수 있지만, 실제로는 용존 기체도 존재하기 때문에 캐비테이션의 시작은 더 빠르다. 물의 경우, 7미터에서 8미터가 실용적인 한계로 여겨진다.[101]

3. 4. 액체 인장 강도

일부 실험에서는 물이 상당한 인장 강도를 갖는 것으로 나타났으며, 진공 사이펀은 이러한 응집력에 의존한다.[80][81][1][15][82][83][84][24] 그러나 일반적인 사이펀 조건에서는 액체 인장 강도가 거의 없으며, 사이펀 작동에 필수적이지 않다는 주장도 있다. 튜브 벽과의 부착 부족, 용해된 가스, 증기압 등은 액체 인장 강도를 약화시키는 요인이다.

퀸즐랜드 기술 대학교의 스티븐 휴즈는 2010년 기사에서 옥스퍼드 영어 사전(Oxford English Dictionary) (OED)의 사이펀이 대기압에 의해 작동한다는 설명을 비판했고,[18] 이는 언론에 널리 보도되었다.[85][86][87][88] OED 편집자들은 과학자들 사이에 지속적인 논쟁이 있다고 언급하며, 2015년 정의를 통해 사이펀을 "액체를 저수지에서 위로 끌어올린 다음 자체적으로 낮은 수준으로 운반하는 데 사용되는 튜브"라고 설명했다.

현재 브리태니커 백과사전(Encyclopædia Britannica)은 사이펀이 중력의 영향과 액체 기둥이 자체 무게로 부서지는 것을 방지하는 응집력에 달려 있다고 설명한다. 해수면에서 물은 사이펀으로 10미터(33피트) 약간 넘게 들어올릴 수 있다.

사이펀의 작동 원리는 액체를 사슬에 비유하여 설명할 수 있는데,[100] 관 내부가 액체로 채워져 있을 때, 출발 지점과 목적 지점의 정압 차이가 구동력이 되어 액체가 흐른다. 중간에 높은 지점을 통과할 수 있는지는 대기압, 액체의 증기압과 밀도에 따라 달라지며, 캐비테이션 발생 시 사이펀은 멈추게 된다. 1기압 하에서 물의 경우, 실용적인 한계는 7미터에서 8미터로 여겨진다.[101]

3. 5. 현대적 연구

1948년, 맬컴 노크스(Malcolm Nokes)는 대기압과 부분 진공 상태에서 작동하는 사이펀을 연구했다. 진공 상태의 사이펀에 대해 그는 하강관의 액체 기둥에 작용하는 중력과 상승관의 중력 차이가 액체를 이동시킨다고 결론 내렸다.[15] 그러나 대기압에서 작동하는 작은 높이의 상승관 사이펀의 경우, 액체 기둥의 인장은 액체 기둥 반대쪽 끝에 작용하는 대기의 압축 효과에 의해 중화되고 '반전'된다고 설명했다.[15]

에든버러 대학교의 포터와 반스는 1971년에 사이펀의 이론을 재검토하고 대기압에서 사이펀에 대한 실험을 수행한 결과, 사이펀의 기본적인 메커니즘은 대기압에 의존하지 않는다는 결론을 내렸다.[21]

2010년 퀸즐랜드 공과대학교의 휴즈는 중력, 압력, 분자 응집력을 연구하여 사이펀 하단에서 물의 흐름은 유입과 유출 사이의 높이 차이에 따라 달라지며, 대기압에 의존할 수 없다고 결론 내렸다.[18] 2011년, 휴즈는 추가 연구를 통해 대기압에서 작동하는 일반적인 사이펀이 대기압이 아닌 중력을 통해 작동한다는 것을 보여주었다.[22] 휴즈는 옥스퍼드 영어 사전이 1911년부터 사이펀의 원리를 대기압에 의한 것이라고 설명한것은 잘못되었으며, 중력에 의한 것이라고 지적했다.[102]

2011년, 부자 연구자인 라메트와 라메트는 대기압에서 이산화 탄소를 사이펀화하여 분자 응집력이 사이펀 작동에 필요하지 않다고 결론 내렸다. 그러나 사이펀 튜브 전체에 걸쳐 압력 강하를 생성하여 유입 지점까지 압력을 감소시키고, 유입 지점의 주변 대기압은 감소된 압력에 반응하여 유체를 위로 밀어 올려 흐름을 유지한다고 설명했다.[23]

같은 해 하와이 대학교의 리처트와 바인더는 사이펀을 조사하고 분자 응집력이 사이펀 작동에 필요하지 않지만 중력과 압력 차이에 의존한다고 결론 내렸다.[13] 노팅엄 대학교의 보트라이트, 푸틱, 라이선스 연구팀도 고진공 조건에서 사이펀을 작동시켜 분자 응집력과 중력이 사이펀 작동에 기여하는 요소이며, 양의 대기압의 존재는 필요하지 않다고 밝혔다.[24]

밀러스빌 대학교의 J. 두리는 Physics Today에 기고한 글에서 사이펀 튜브 내 압력 차이와 액체의 인장 강도가 사이펀 작동에 모두 필요하다고 언급했다.[25]

훔볼트 주립 대학교의 A. 맥과이어는 2012년에 LS-DYNA를 사용하여 사이펀 내의 압력 초기화, 흐름, 압력 전파를 조사한 결과, 압력, 중력 및 분자 응집력이 모두 사이펀 작동의 추진력이 될 수 있다고 결론 내렸다.[26]

2014년, 퀸즐랜드 공과대학교의 휴즈와 구룽은 다양한 대기압 하에서 물 사이펀을 작동시켜 사이펀 흐름이 주변 기압과 독립적임을 확인했다. 베르누이 방정식과 푸아죄유 방정식을 이용한 분석 결과, 사이펀 내부로 유입되고 유출되는 물 분자 간에는 직접적인 응집 연결이 있어야 한다고 결론 내렸다.[27]

4. 최대 높이

실용적인 사이펀의 최대 높이는 대기압, 액체의 밀도, 중력, 액체의 증기압에 의해 제한된다.[79] 액체 내부의 압력이 액체의 증기압 아래로 떨어지면 증기 기포가 형성되기 시작하고 사이펀 효과가 종료된다.[79]

일반적인 사이펀의 높이는 다음과 같다.

:h_B={P_\mathrm{atm} \over \rho g} - {v_B^2 \over 2g}.

사이펀의 최대 높이는 다음과 같다.

:h_{B\mathrm{,max}}={P_\mathrm{atm} \over \rho g}

표준 대기압에서 물의 경우 최대 사이펀 높이는 약 10m이고, 표준 기압의 정의에 따라 수은의 경우 약 76cm이다. 높이의 비율(약 13.6)은 주어진 온도에서 물과 수은의 밀도 비율과 같다. 압력 헤드가 각 섹션에서 0 이상으로 유지되는 한 장치 내 유체의 부피는 관련이 없다. 속도가 증가하면 압력이 감소하기 때문에 정적 사이펀(또는 마노미터)은 흐르는 사이펀보다 약간 더 높은 높이를 가질 수 있다.

5. 응용 분야

사이펀은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

첫 번째 맥주 발효 후 맥주를 사이펀 처리


특정 액체를 정화해야 할 때, 사이펀을 사용하면 용기 바닥의 찌꺼기나 상층부의 거품과 부유물을 새 용기로 옮기는 것을 방지할 수 있다. 따라서 사이펀은 와인과 맥주의 발효 (식품)에 유용하며, 원치 않는 불순물이 새 용기로 들어가는 것을 막을 수 있다.[29]

thumb에서 면화에 사이펀 관개]]

사이펀은 관개된 밭에서 도랑의 벽을 넘어 도랑에서 고랑으로 통제된 양의 물을 옮기는 데 흔히 사용된다.[29]

홈브루잉 맥주에 사용되는 사이펀


파이프나 튜브로 만든 자가 제작 사이펀은 홍수 후 지하실에서 물을 빼는 데 사용할 수 있다.[29] 침수된 지하실과 외부의 더 깊은 곳 사이에 튜브나 파이프를 사용하여 연결을 구축한다.[29] 흡입 밸브(구조물의 가장 높은 끝 부분)를 통해 물을 채운다.[29] 양쪽 끝을 열면 물이 파이프를 통해 하수구나 강으로 흘러 들어간다.[29]

사이펀을 구성하는 관에 특별한 가공은 필요 없지만, 관을 액체로 채우기 위해 펌프가 필요하다. 관의 대부분에 처음부터 액체가 채워져 있다면, 관의 출구를 막고 기밀(수밀)을 유지한 채 원래 액면보다 낮게 하면 시동에 펌프는 필요 없다.

가까운 예시로 등유 펌프가 있다. 예를 들어 폴리 탱크에서 난방 기구의 탱크로 등유를 옮길 때, 폴리 탱크의 액면이 난방 기구의 탱크의 액면보다 높아지는 위치에 두고, 처음에 펌프를 몇 번 조작하여 관을 등유로 채우면 사이펀의 원리에 의해 등유는 계속 흐른다.

대규모 사이펀은, 국지적인 수도 설비나 공업에서도 사용된다. 이러한 규모에서는, 취수구와 배수구, 최고 지점에서 밸브에 의한 제어가 필요하다. 이 경우, 취수구와 배수구의 밸브를 닫고, 최고 지점에서 액체를 흘려보내 사이펀을 시동시킨다. 취수구와 배수구가 수면 아래에 있는 경우에는, 최고 지점에서 펌프를 작동시켜 시동시키기도 한다. 또한, 취수구와 배수구 양쪽에서 펌프를 작동시켜 시동시키는 경우도 있다. 대규모 사이펀에서는 액체 중에 기체가 녹아 있거나, 기포가 혼입되어 있으면, 액체가 관의 최고 지점에 가까워져 압력이 저하될 때, 혼입된 기체가 기포가 되어 나타나거나, 원래 있던 기포가 팽창하여 최고 지점에 쌓여 흐름을 분단하는 경우가 있다. 또는, 온도가 높은 경우에도 액체가 증발하기 쉬워져, 증기가 최고 지점에 쌓이면 흐름이 멈춘다. 대규모 사이펀에서는, 최고 지점에서는 기체를 모아 배출하는 공기실 (공기 밸브)이 설치된다.[29]

대형 사이펀은 시립 수도 사업 및 산업에서 사용될 수 있다.[29] 이들의 크기 때문에 사이펀의 흡입구, 배출구 및 정점에서 밸브를 통해 제어해야 한다.[29] 흡입구와 배출구를 닫고 정점에서 사이펀을 채워 사이펀을 채울 수 있다.[29] 흡입구와 배출구가 잠긴 경우 진공 펌프를 정점에 적용하여 사이펀을 채울 수 있다.[29] 또는 흡입구 또는 배출구의 펌프로 사이펀을 채울 수도 있다.[29] 액체 내의 가스는 대형 사이펀에서 문제가 된다.[29] 가스는 정점에 축적되는 경향이 있으며, 충분히 축적되어 액체의 흐름을 막으면 사이펀 작동이 중단된다.[29] 사이펀 자체가 액체가 사이펀을 통해 올라가면서 압력이 떨어져 액체 내의 용해된 가스가 용액에서 빠져나오기 때문에 문제를 악화시킨다.[29] 온도가 높을수록 액체에서 가스 방출이 가속화되므로 일정한 저온을 유지하는 것이 도움이 된다.[29] 액체가 사이펀에 오래 있을수록 더 많은 가스가 방출되므로 전체적으로 사이펀이 짧을수록 도움이 된다.[29] 국부적 고점은 가스를 가두므로 흡입구와 배출구는 중간 고점 없이 연속적인 경사를 가져야 한다.[29] 액체의 흐름은 기포를 이동시키므로 흐름이 가스 기포를 정점으로 밀어 올리므로 흡입구는 완만한 경사를 가질 수 있다.[29] 반대로, 배출구는 기포가 액체 흐름에 거슬러 이동할 수 있도록 가파른 경사를 가져야 한다.[29] 다른 설계에서는 기포가 사이펀에서 배출될 수 있도록 배출구에서도 완만한 경사를 요구한다.[29] 정점에서는 가스를 정점 위의 챔버에 가둘 수 있다.[29] 챔버는 가스를 제거하기 위해 가끔 액체로 다시 채워야 한다.[29]

사이펀의 원리는, 역사적으로는 루오커 (물시계)에 사용되었다.

  • 커피 사이폰
  • 피타고라스의 컵
  • 수세식 변기
  • 유체 소자

6. 사이펀이 아닌 장치

7. 자연 현상

자연계에서 볼 수 있는 사이펀의 예로 간헐 냉천이 있다. 일본에서는 쿠사마 간헐 냉천, 고보의 한 컵 물, 토키미즈 등 5곳이 알려져 있다.

7. 1. 간헐천

간헐천은 지하수가 주기적으로 분출하는 온천의 일종으로, 사이펀과 유사한 원리로 설명될 수 있다. 지하의 빈 공간에 물이 채워지고, 일정 수위에 도달하면 사이펀처럼 물이 분출되는 현상이다. 한국에는 초정약수, 고부의 한 컵 물, 토계미 등이 간헐 냉천으로 알려져 있다. 일본에서는 쿠사마 간헐 냉천, 고보의 한 컵 물, 토키미즈 등 5곳이 알려져 있다.

7. 2. 동굴

동굴학에서 사이펀(또는 섐프)은 동굴 통로의 일부로 물 속에 잠겨 있는 부분을 의미한다. 이곳은 탐험가들이 동굴 시스템을 더 탐험하기 위해 잠수해야 하는 곳이지만, 실제 사이펀은 아니다.

7. 3. 강

하천 사이펀은 물 흐름의 일부가 바위나 나무 줄기와 같은 수중 물체 아래를 통과할 때 발생한다. 장애물 아래로 흐르는 물은 매우 강력할 수 있으며, 따라서 카약, 캐니어닝 및 기타 강 기반 수상 스포츠에 매우 위험할 수 있다.

8. 기타

혈액 순환계 순환에 사이펀 메커니즘이 역할을 하는지에 대한 논쟁이 있었다. 초기에는 사이펀이 순환계에 영향을 준다는 가설이 있었으나,[74] 순환의 '폐쇄 루프'에서는 중력이 오르막과 내리막에 동일하게 작용하므로 사이펀이 존재하지 않는다는 연구 결과가 발표되었다.[72][73] 2004년의 연구에서는 "정수압 기울기가 없고, 액체의 '낙하'가 상승하는 부분에 도움을 주지 않으므로 사이펀은 존재하지 않습니다. 기린의 높은 동맥압은 심장에서 머리까지 혈액을 2m 올릴 수 있으며, 뇌에 충분한 혈액을 공급할 수 있는 충분한 잔여 압력을 가지고 있어 이 개념을 뒷받침합니다."라고 밝혔다.[73][75] 하지만 2005년에 작성된 논문에서는 비교 연구와 실험 연구를 통해 이 논쟁을 해결할 것을 제안했다.[76]

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