수세식 변기를 보면, 어떠한 전기적 동력 없이 밸브를 내리면 물의 힘으로 물이 쏴 하고 내려가고,
항상 일정량의 물의 변기안에 차있읍니다.
변기 측면을 보면 비스듬히 올라갔다가 내려가는 형태의 관이 있읍니다.
이곳이 사이펀 (siphon) 의 원리를 사용한다.
영어단어를 보면 siphon은 흡입관,…을사이펀으로빨아들이다 설명이 되어있다.
사이펀(siphon)의 기본 원리
사이펀의 원리물통A의 물은 수면위의 공기압력보다물의 무게때문에 입구쪽에 *대기압보다 압력이 높은 상태이고, 사이펀호스관을 통해 출구쪽역시 출구쪽의 대기압(공기압력)보다 크기 때문에 물이 사이펀관을 통해 물통B로 흘러들어가게된다. 이때 주의할점은, 물통A에서 물통B사이의 높이가 너무 높으면 물의 압력문제로 사이펀 효과가 떨어진다. |
| 대기압 ( 공기층의 무게로 발생하는 대기의 압력)을 이용해, 높은곳에 있는 액체를 낮은곳으로 이동시키는 현상 or 작용들을 말한다. |
보통 위의 사이펀 현상은 관을 통해서 구현및 볼수가 있다,
일단 누구나 볼수있는 양변기에 측면에 보면 S형태의 사이펀관이라는 것이 있고
,이 관을 통해 사이펀 현상을 볼수가 있고 ,
변기의 사이펀(siphon)관 기본 동작 방식
Rim : 변기의 윗부분에서 물들이 나오는 테두리
변기의 구조, 그리고 변기의 원리
저희 블로그 유입 검색어 중 종종 "변기 원리" 또는 "변기 구조"를 보게 됩니다.
저 역시 변기 구조는 늘 보기 때문에 잘 알지만 변기의 원리에 대해서는 깊이 생각해 보지 않았다는 점을 솔직히 고백해야 겠습니다.
그리고, 변기의 원리에 대해 알아보면서 우리 생활에 밀접히 녹아 있는 과학과, 그것을 가능하게 해 준 자연의 '법칙'에 대해서도 감탄하게 되었습니다.
- 변기의 구조
크게 본다면 변기에는 물을 저장하는 탱크(tank or cistern)와 변기통(toilet bowl)이 있습니다.
그리고 탱크는 깨끗한 물이 유입되는 관이 연결되어 있고, 반대로 변기통은 물과 함께 오물이 흘러내려갈 오수관이 연결되어 있습니다. 그런데 오물이 오수관으로 빠져나가기 전, 다량의 물과 함께, 오물은 변기의 S트랩을 지나가게 됩니다. 바로 이 곳에서 유명한(?) 사이펀의 원리가 사용됩니다.
- 왜 S트랩일까?
수세식 변기가 발명되었어도 여전히 변기의 관을 타고 집안으로 역류하는 분뇨 냄새와 독한 가스는 문제가 되었다고 합니다. 하지만 1775년, 알렉산더 커밍(Alexander Cummings)이 사이펀의 원리를 이용한 S트랩을 발명함으로 그 문제가 해결되었고, 오늘까지 사용되고 있습니다.
S트랩은 항상 일정량의 물을 변기 내부의 관과 통 안에 가두어 두도록 만들기 때문에 오수관에서 올라오는 역한 냄새와 가스를 막아주는 역할을 하게 되지요.
S트랩을 자세히 살펴보면 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로, 그러니까 변기 통에서 오수관으로 쭉 빠져나가도록 만든 것이 아니라 반대로 중력을 거슬러, 위로 올라갔다가 내려가는 구조로 되어 있습니다. 어떻게 물이 중력을 거스르고 계속 흘러갈 수 있을까요?
- 사이펀의 원리
사이펀의 원리에 대해서는 다음의 블로그에서 명료하게 설명해주고 있습니다.
//wblog.tistory.com/26
즉, 물이 이동하면서 압력이 감소하게 되는데 그러면 높은 곳에 있는 물의 수면을 대기압이 누르기 때문에 물은 사이펀 관을 통해 지속적으로 이동을 하게 됩니다. 그리고 아래쪽 통에 연결된 관에는 중력이 작용하여 물이 아래로 떨어지는데 그렇게 관 속의 압력이 대기압보다 더 낮게 유지되면서 물은 지속적으로 이동할 수 있습니다. 그러다가 높은 곳에 있는 물의 표면이 관의 입구까지 내려가면 물의 이동이 끝나게 됩니다.
아래에서 사이펀의 원리를 설명하는 그림과 변기의 S트랩 구조를 비교해 보시기 바랍니다.
그림1. 사이펀의 원리
그림2. 변기의 S트랩 구조
변기 통 안의 물은 항상 같은 위치까지 올라옵니다.
변기에 물을 한 바가지를 부어도 그 만큼의 물은 흘러가고 다시 정해진 위치까지 높이가 유지됩니다. 바로 위에서 말한 사이펀의 작용에서 높은 곳에 있는 물의 표면이 관의 입구까지 내려가면 물의 이동이 끝나게 되는 원리때문입니다.
즉, S-trap의 곡선이 시작되는 부분까지 변기 통 내부의 물이 유지되는 것입니다. (그림2 참조)
그림3. 사이펀 작용
그러다가, 변기의 레버를 눌러서 많은 양의 물을 한꺼번에 내리면 물이 변기 통으로 흘러나오게 되고 변기 통안의 물은 수위가 높아집니다. 그리고 이는 수위가 높은 변기 통안의 물들이 s-trap의 첫번째 곡선 구간을 넘어가면서 사이펀의 작용으로 물이 이동하는 흐름이 시작되게 만들지요. 물이 이동하면서 압력이 감소하고, 변기 통 내부의 수면에 작용하는 대기압의 누르는 힘으로 인해 물은 계속 사이펀 관, 즉 s-trap으로 이동하고, 사이펀 관의 반대쪽에는 중력이 작용하게 되어 물의 지속적인 흐름이 가능해집니다. (그림3 참조)
그러다가 변기 통 내부의 물의 수위가 다시 s-trap의 곡선이 시작되는 부분까지 낮아지면 물의 흐름이 끊어지게 됩니다. (그림2 참조)
이렇게 중력과 대기압, 그리고 사이펀 작용이 어우러져 우리가 편리하게 사용할 수 있는 오늘날의 변기가 만들어졌습니다.
쉽게 설명해보려 했는데 쉽지 않았네요 ^^;
더 자세한 내용은 아래의 참조문헌들을 통해서 직접 읽어보실 수 있습니다.
<참조문헌>
1. "Wikijunior:How Things Work/Flush Toilet" (//en.wikibooks.org/wiki/Wikijunior:How_Things_Work/Flush_Toilet)
2. "Flush Toilet" (//en.wikipedia.org/wiki/Flush_toilet)
3. "사이펀 원리" (//hasd.tistory.com/entry/%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%8E%80-%EC%9B%90%EB%A6%AC)
<그림출처>
그림1. By User:Tomia (Own work) [GFDL (//www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (//creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY 2.5 (//creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons
그림2, 3. www.smarterflush.com