自由研究にオススメ「自作サイフォン」なぜ出発点より高い場所を通る?

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子供の自由研究にも。サイフォン・コーヒーサイフォンの仕組みとは?
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子供の自由研究にも。サイフォン・コーヒーサイフォンの仕組みとは?

おいしいコーヒーに欠かせないサイフォンだが、他にも身近なところに使われているということをご存知だろうか。今回はその原理や、子供の自由研究も使えるサイフォンの自作方法などを簡単に説明しよう。

1. サイフォンとは

ギリシア語でチューブを意味するサイフォンや、その原理。学生時代に理系が得意だったならば今でもそれらについて容易く説明できるかもしれないが、意外と覚えていなかったり、うろ覚えではないだろうか。簡単に言うと、液体が出発点から到着点までの間を、出発点より高い地点を通過しながら移動するための原理で、液体は隙間の無い管の中を通る。あらかじめ管の中を液体で満たしておく必要があるため、柔らかい管であれば出発点の液体の中に沈めて水を入れ、到着点側を指で押さえて取り出す場合もある。金魚が入った水槽の水交換やビニールプールの水抜きで、水面より低い位置に垂らしたホース内の空気を吸い込んで水が出てきたら放置するだけの方法があるが、これがズバリその方式だ。灯油を入れるポンプのように、最初だけポンプの力を借りる場合もある。

このように身近なところで使われているサイフォンの原理は、出発点・到着点の高低差によって生じるエネルギーによって起こる現象であり、大気圧や重力が原因だと言われている。ただし液体の種類によっては水や灯油よりも高い地点を通ることが不可能であったり、管が長すぎたり曲がり過ぎていると流れすらしないこともある。

2. コーヒーサイフォンの原理

飲食に関わるサイフォンといえば、直ぐに思い浮かぶのがコーヒーサイフォンだ。コーヒーサイフォンには、先述した高低差によってのエネルギーだけでなく、熱の力が関わっている。使ったことがないという意見の方が多いと思うので、まずはコーヒーサイフォンの使い方を簡単に説明していく。

  • ネルフィルターを付けた濾過器をロート部分(上のガラス容器)にセットし、コーヒーの粉を入れる。
  • フラスコ(下のガラス容器)に水(または湯)を入れ、アルコールランプやビームヒーター等の熱源を点ける。
  • 沸騰したらフラスコにロートをセットする。次第にロートに湯が上がって来る。上がり切ったら竹べらで手早く数回かき混ぜる。
  • アルコールランプの場合はそのまま、ビームヒーターの場合は弱火で15~45秒経った頃に竹べらでもう一度軽くかき混ぜて火を止める。
  • ロート内のコーヒーがフラスコに落ちきるのを待つ。

フラスコの温度が上がるにつれて内部の圧力が高まり、次第に圧力の低いロート側へと湯が流れていくのである。ロート内でコーヒーの抽出が行われ、火を止めると今度はフラスコ内の圧力が下がり、徐々にコーヒー液が下りていく仕組みとなっている。コーヒーの粉のカスはネルフィルターを付けた濾過器がキャッチする。

3. サイフォンを自作すれば子供の自由研究にも

理解している大人にとってはさほど不思議ではない原理であるが、子供にとっては出発点より高い場所を通って落ちていく水の様子が不思議に思えることもある。そこでオススメなのが、子どもの自由研究にも使える自作サイフォンの実験だ。どうなりそうか子供に予想を立てさせ、結果と比べてみると良い。
<用意するもの>
透明なプラスチックのコップ
先が曲がったストロー
粘度
セロハンテープ
千枚通しなどの先が尖った太すぎない工具
鉛筆
はさみ
カッター

<作り方>
  • 先が尖った工具を使い、プラスチックのコップの底に小さな穴を開ける。穴が開いたら鉛筆を差し込み、ストローの先が入る程度の大きさの穴を作る。
  • ストローの曲がらない方を2~3cm位カットしておく。反対側を折り曲げたらU字部分を固定するようにカットした物を挟み、セロハンテープで固定する。
  • ストローのU字部分が内側になるようにストローの長い方を穴から通し、底の外側部分との隙間から水が漏れ出てこないよう、粘土をくっつける。U字部分の短い方とコップの底の間は5mmくらいにするのがポイントだ。
  • コップに水を注いでいくと初めのうちは何ともないのに、ストローのカーブ部分に到達すると、水が流れてくる。これは水を注ぐにつれて、まずU字の短い方のストロー内に水が入っていき、その水がカーブ部分を越えるとU字の長い方に一気に流れ出ることに起因している。水洗トイレのタンクの仕組みと同じだ。

結論

サイフォン・コーヒーサイフォンの仕組みについて、お分かりいただけただろうか。子供は時折、なぜその現象が起こるのかを不意に聞いてくることがある。表面張力や重力についてなど、大人にとっては身近過ぎて当たり前の事でも不思議なのだから仕方ないが、急すぎて上手に説明できないことも正直ないだろうか。そんな時のために、ついつい忘れがちなサイフォンの原理も、ぜひ頭の片隅に置いてみてはいかがだろう。

投稿者:オリーブオイルをひとまわし編集部

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《オリーブオイルをひとまわし編集部》

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