Termenul de centrifugă se poate referi la o mașină care găzduiește un recipient cu rotire rapidă pentru a-și separa conținutul densitate (substantiv) sau la actul de utilizare a mașinii (verb). Centrifugele sunt cel mai adesea folosite pentru a separa diferite lichide și particule solide de lichide, dar pot fi utilizate pentru gaze. De asemenea, sunt utilizate în alte scopuri decât separarea mecanică.
Invenția și istoria timpurie a centrifugei
Centrifuga modernă își urmărește originile către un aparat de braț învârtit proiectat în secolul al XVIII-lea de inginerul militar englez Benjamin Robins pentru a determina tracțiunea. În 1864, Antonin Prandtl a aplicat tehnica de separare a componentelor laptelui și smântânei. În 1875, fratele lui Prandtl, Alexender, a perfecționat tehnica, inventând o mașină pentru extragerea untului. În timp ce centrifugele sunt încă folosite pentru a separa componentele laptelui, utilizarea lor s-a extins la multe alte domenii ale științei și medicinei.
Cum funcționează o centrifugă
O centrifugă își primește numele forța centrifugă- forța virtuală care trage obiecte învârtite spre exterior.Forta centripetaeste adevărata forță fizică la locul de muncă, trăgând obiecte învârtite spre interior. Învârtirea unei găleți cu apă este un bun exemplu al acestor forțe la locul de muncă.
Dacă găleata se învârte destul de repede, apa este trasă spre interior și nu se varsă. Dacă găleata este umplută cu un amestec de nisip și apă, se învârte centrifugare. In conformitate cu sedimentare principiu, atât apa, cât și nisipul din găleată vor fi trase la marginea exterioară a găleții, dar densul particulele de nisip se vor așeza spre fund, în timp ce moleculele de apă mai ușoare vor fi deplasate spre centru.
Accelerația centripetă simulează în esență gravitația mai mare, cu toate acestea, este important să țineți cont de gravitația artificială este o gamă de valori, în funcție de cât de aproape este un obiect de axa de rotație, nu de o constantă valoare. Efectul este mai mare cu cât obține un obiect, deoarece parcurge o distanță mai mare pentru fiecare rotație.
Tipuri și utilizări ale centrifugelor
Tipurile de centrifuge sunt toate bazate pe aceeași tehnică, dar diferă în aplicațiile lor. Principalele diferențe între ele sunt viteza de rotație și rotor proiecta. Rotorul este unitatea rotativă din dispozitiv. Rotoarele cu unghi fix țin mostrele într-un unghi constant, rotoarele cu cap de balansare au o balama care permite bascularea probelor spre exterior pe măsură ce viteza de centrifugare crește, iar centrifugele tubulare continue au o cameră unică și nu o probă individuală Camere.
Separarea moleculelor și izotopilor: Centrifugele și ultracentrifugele de mare viteză se învârt cu viteze atât de mari încât pot fi folosite pentru a separa molecule de mase diferite sau chiar izotopi de atomi. Separarea izotopilor este utilizată pentru cercetarea științifică și pentru fabricarea combustibilului nuclear și a armelor nucleare. De exemplu, o centrifugă de gaz poate fi utilizată pentru a îmbogăți uraniu, deoarece izotopul cel mai greu este tras în afară mai mult decât cel mai ușor.
În laborator: De asemenea, centrifugele de laborator se rotesc la viteze mari. Pot fi suficient de mari pentru a sta pe o podea sau suficient de mici pentru a se sprijini pe un tejghea. Un dispozitiv tipic are un rotor cu găuri găurite în unghi pentru a ține tuburi de probă. Deoarece tuburile de probă sunt fixate în unghi și forța centrifugă acționează în plan orizontal, particulele se deplasează la o distanță minusculă înainte de a lovi peretele tubului, permițând alunecarea materialului dens jos. În timp ce multe centrifuge de laborator au rotori cu unghi fix, rotori cu găleată basculantă sunt de asemenea frecvente. Astfel de mașini sunt folosite pentru a izola componente ale lichidelor nemiscibile și suspensii. Utilizările includ separarea componentelor de sânge, izolarea ADN-ului și purificarea probelor chimice.
Simulare de înaltă gravitație: Se pot utiliza centrifuge mari pentru a simula gravitația mare. Mașinile au dimensiunea unei camere sau clădiri. Centrifugele umane sunt utilizate pentru a antrena piloții de testare și pentru a efectua cercetări științifice legate de gravitație. Centrifugele pot fi, de asemenea, utilizate ca plimbări în parcurile de distracții. În timp ce centrifugele umane sunt proiectate pentru a ajunge la 10 sau 12 gravitații, mașinile non-umane cu diametru mare pot expune specimenele la o greutate normală de până la 20 de ori. Același principiu poate fi folosit într-o zi pentru a simula gravitația în spațiu.
Centrifuge industriale sunt utilizate pentru a separa componentele coloidelor (cum ar fi smântâna și untul din lapte), în prepararea chimică, curățarea solidelor din fluidul de foraj, materialele de uscare și tratarea apei pentru a îndepărta nămolul. Unele centrifuge industriale se bazează pe sedimentare pentru separare, în timp ce altele separă materia folosind un ecran sau un filtru. Centrifugele industriale sunt utilizate pentru turnarea metalelor și prepararea substanțelor chimice. Gravitatea diferențială afectează compoziția de fază și alte proprietăți ale materialelor.
Aplicații zilnice: Centrifugile de dimensiuni medii sunt frecvente în viața de zi cu zi, în special pentru a separa rapid lichidele de solide. Mașinile de spălat folosesc centrifugarea în timpul ciclului de centrifugare pentru a separa apa de rufe. Un dispozitiv similar învârte apa din costume de baie. Filatele de salată, folosite pentru spălarea și apoi rotirea salatei și a altor verzi, sunt un alt exemplu de centrifugă simplă.
Tehnici conexe
În timp ce centrifugarea este cea mai bună opțiune pentru simularea gravitației ridicate, există și alte tehnici care pot fi utilizate pentru separarea materialelor. Acestea includ filtrare, setare, distilare, decantare, și cromatografia. Cea mai bună tehnică pentru o aplicație depinde de proprietățile eșantionului utilizat și de volumul acesteia.