Wystarczy kawałek węża, żeby wyciągnąć wodę z akwarium bez podnoszenia go i bez żadnej pompy. Wąż wygląda jak zwykła rurka, a jednak po krótkim rozruchu woda sama przepływa przez krawędź naczynia, wpierw w górę, a potem w dół. Takie urządzenie nazywa się lewarem albo syfonem i znano je już w starożytności — dziś używają go akwaryści, rolnicy i hydraulicy.

Co nam będzie potrzebne?

  • elastyczny, przezroczysty wąż o długości ok. 1–1,5 m (np. akwarystyczny, o średnicy 8–12 mm)
  • wysokie naczynie z wodą (wiadro, duży słoik lub akwarium)
  • niższe naczynie lub miska ustawiona na podłodze albo niższej półce
  • barwnik spożywczy, żeby lepiej widzieć wodę w wężu
  • stabilne podwyższenie, np. stos książek lub krzesło, na którym stanie górne naczynie
  • ręcznik na wypadek rozlania
  • plastikowy kubek, słomka, nożyczki i klej na gorąco lub plastelina do wariantu z kubkiem Pitagorasa

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie stanowiska. Postaw naczynie z kolorową wodą na podwyższeniu, a puste naczynie ustaw wyraźnie niżej, najlepiej na podłodze, kilkadziesiąt centymetrów pod poziomem wody w górnym. Obok rozłóż ręcznik, bo pierwsza próba rzadko obywa się bez kilku kropel.

Krok 2: Napełnienie węża. Zanurz cały wąż w górnym naczyniu, tak aby wypełnił się wodą bez pęcherzyków powietrza. Następnie zatkaj jeden koniec kciukiem, trzymając drugi pod powierzchnią wody. To najważniejszy moment całego doświadczenia: jeśli w wężu zostanie powietrze, lewar nie ruszy albo po chwili się zatrzyma.

Krok 3: Uruchomienie. Nie wyciągając końca z wody, wyjmij drugi koniec z naczynia i poprowadź go przez krawędź w dół, do dolnego naczynia. Koniec wylotowy musi znaleźć się niżej niż powierzchnia wody w górnym naczyniu. Odetkaj kciuk — woda zacznie płynąć sama, mimo że część węża wznosi się ponad poziom cieczy.

Krok 4: Obserwacja i pomiary. Zmierz czas napełniania dolnej miski i spróbuj przesunąć ją niżej: przepływ wyraźnie przyspieszy. Potem podnieś wylot na wysokość powierzchni wody w górnym naczyniu — strumień zwolni, a gdy poziomy się zrównają, przepływ ustanie. Na koniec unieś wylot ponad poziom wody w górnym naczyniu, a przekonasz się, że przepływ w ogóle się zatrzyma.

Wyjaśnienie naukowe

Lewar działa dzięki różnicy ciężaru dwóch słupów wody. Po stronie górnego naczynia ramię węża jest krótkie, a po stronie wylotu — dłuższe i opada niżej. Dłuższy słup cieczy jest cięższy, więc ciągnie za sobą całą wodę w wężu, a ta, jako ciągły, nieprzerwany strumień, zasysa kolejne porcje z górnego naczynia. Nie jest to więc „zasysanie próżni”, lecz zwykłe przeciąganie liny przez ciężar jej dłuższej części. To samo prawo wyrównywania poziomów opisujemy przy naczyniach połączonych : przepływ trwa dopóty, dopóki istnieje różnica wysokości, i ustaje, gdy poziomy się zrównają.

Ciśnienie atmosferyczne odgrywa w lewarze rolę pomocniczą, ale ważną. Pod szczytem węża ciśnienie wody spada poniżej atmosferycznego, a powietrze naciskające na powierzchnię wody w górnym naczyniu wpycha ciecz w stronę szczytu, dzięki czemu słup się nie rwie. Dlatego klasyczny lewar wodny nie przeleje wody ponad szczytem wyższym niż ok. 10 m — tyle wynosi słup wody równoważony przez atmosferę, o czym przekonuje także barometr ze słoika . W praktyce przy szczycie powyżej kilku metrów rozpuszczone w wodzie gazy zaczynają się uwalniać w postaci pęcherzyków, które przerywają ciągłość strumienia. Co ciekawe, badania opublikowane w ostatnich latach pokazały, że lewar potrafi działać także w próżni, bo siły spójności między cząsteczkami cieczy podtrzymują słup; sama atmosfera nie jest więc jedyną odpowiedzialną za jego działanie, a spór o ich dokładny udział wciąż bywa tematem artykułów naukowych.

Prędkość wypływu zależy od różnicy wysokości h między poziomem wody w górnym naczyniu a wylotem węża. Według prawa Torricellego wynosi ona w przybliżeniu √(2·g·h), więc czterokrotnie większa różnica poziomów daje dwukrotnie szybszy strumień. Dlatego opuszczenie miski przyspiesza przepływ, a podniesienie jej go spowalnia. Lewary stosowano w starożytnych akweduktach, gdzie umożliwiały przeprowadzenie wody przez niewielkie wzniesienia, a dziś służą do spuszczania paliwa i wody z akwariów oraz do odwadniania pól i stawów. Podobnie działa syfon pod umywalką, choć tam pełni inną funkcję: woda stale zalegająca w jego łuku tworzy korek, który blokuje przedostawanie się zapachów z kanalizacji. Ten sam mechanizm wykorzystuje fontanna Herona , w której różnice poziomów wprawiają wodę w ruch bez żadnej pompy.

Warianty

Kubek Pitagorasa. Według legendy mędrzec z Samos zaprojektował kubek, który karał chciwców: kto nalał zbyt dużo, tracił cały napój. Zrób taki sam kubek: wewnątrz plastikowego kubka przyklej klejem na gorąco słomkę wygiętą w kształt odwróconej litery U tak, aby krótszy koniec sięgał dna, a dłuższy wychodził przez dziurkę w dnie na zewnątrz (uszczelnij ją klejem). Wlewaj wodę powoli: dopóki poziom jest poniżej szczytu słomki, wszystko jest w porządku, ale gdy go przekroczysz, lewar się włączy i całą zawartość kubka wypłynie przez dno.

Lewar a wysokość szczytu. Wykonaj kilka prób, za każdym razem podnosząc najwyższy punkt węża o kolejne 20 cm ponad powierzchnię wody w górnym naczyniu. Mierz czas napełniania litrowej miarki — przy niskim szczycie czas będzie niemal taki sam, co pokazuje, że o prędkości przepływu decyduje różnica poziomów, a nie wysokość szczytu.

Lewar z innymi cieczami. Przelej tym samym wężem olej roślinny i porównaj tempo z wodą. Gęstszy i bardziej lepki olej płynie wolniej, mimo że różnica poziomów jest identyczna, co ilustruje rolę lepkości.

Często zadawane pytania

Dlaczego lewar przestał działać po kilku sekundach? Najczęstszą przyczyną jest pęcherzyk powietrza uwięziony w wężu, który przerywa ciągły słup cieczy. Powietrze jest znacznie lżejsze od wody i nie ciągnie jej w dół, więc przepływ ustaje. Drugą przyczyną bywa wylot umieszczony zbyt wysoko: jeśli leży na poziomie wody w górnym naczyniu lub powyżej, nie ma już różnicy ciężaru słupów.

Czy lewar zadziała, jeśli wąż będzie bardzo wysoko nad wodą? Nie, jeśli szczyt będzie wyżej niż ok. 10 m dla wody, a w praktyce zawodzi on już przy kilku metrach, gdy w cieczy zaczynają pojawiać się pęcherzyki gazu. Dla domowych wysokości rzędu kilkudziesięciu centymetrów nie ma z tym żadnych problemów. Ważne jest wyłącznie to, by wylot był niżej niż powierzchnia wody w górnym naczyniu.

Czy takim wężem można bezpiecznie spuszczać paliwo z baku? Nie zaleca się rozruchu ustami, bo połknięcie benzyny lub oleju napędowego jest groźne dla zdrowia. Do paliw służą specjalne pompki z gruszką, które napełniają wąż bez ssania. Samo doświadczenie z wodą jest natomiast całkowicie bezpieczne.