学科科普-离心机的原理-centrifuge

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Centrifuge

离心机


What is a centrifuge?

It is a machine that spins mixtures of different substances around very quickly so that they can be separated by centrifugal force.

-Colins

简答来说,离心机就是将物质高速旋转,进而“借助”离心力将物质分层。


它可以分离的有2类

一是液体与固体颗粒

如用洗衣机甩干湿衣服

二是乳浊液(emulsion)中2种密度不同,而且不相溶的液体分开

如从牛奶中分离出奶油

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原理补充: Sedimentation Principle


In a solution, particles whose density is higher than that of the solvent sink (sediment), and particles that are lighter than it float to the top. The greater the difference in density, the faster they move. If there is no difference in density (isopycnic conditions 等密度), the particles stay steady.

-fisher scientific

这时候呢,为了更好地利用不同颗粒在溶液中的密度差,原本的重力就将被更加强有力的“离心力”所替代。


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离心力(centrifugal force)


要理解离心机的工作原理,就需要先来介绍一下离心力是什么


离心力是一种惯性力(又称为假想力),使得拥有加速度的物体远离它的旋转中心,在牛顿力学(Newtonian Mechanics)中,这个惯性力是在非惯性参考系(non-inertial reference system)中的向心力(centripetal force)的”平衡力(counterbalance)”


Centrifugal force is a type of Inertial Force, (also called a fictitious force or a pseudo force) allowing the object to move away from its center of rotation. In Newtonian Mechanics, it is the balance force of centripetal force existing in non-inertial reference system/frame.


注意:只有在非惯性参考系中(如我们所用的旋转参考系-rotational reference frame)牛顿运动定律才能对离心力使用。


Note that Newtons law of motion is only applicable in a non-inertial reference system, such as rotational reference frame.


那为什么如此呢?我们来看两个情况。


首先,假设桌上一球在绕着一个点做匀速圆周运动,而你站在一旁看着。很自然,对于你来说,你正处于惯性系(inertial reference system)不需要离心力也可以使得牛顿运动定律成立。


但是,如果你脚下也有一个和小球运动角速度一样的圆盘带着你一起运动,这样的话,你就处于一个非惯性系,而对于你来说,小球是静止的。


这个时候,如果我们不把离心力给利用起来,我们会发现小球收到绳子的拉力,但是小球却是静止的?很明显,牛顿运动定律出问题了,但是我们如果假设,也同时存在一个将小球向外拉的力,也就是离心力,那牛顿运动定律就可以使用了。


Then why does this happen? Let’s see:


Case1: Let a ball experience UCM(uniform circular motion) on the table, and you stand by on the ground. Obviously, you yourself is in a inertial reference system, and Newton’s Law of Motion is valid when centrifugal force is not here.


Case2: However, if you are standing on a disc which is rotating with the same angular velocity of the ball, you will find that the ball appears steady towards you. However, the ball is still undergoing the force by the string. It’s apparent that you need a centrifugal force to make the Newton’s Law of Motion re-applicable.


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回到离心机!!!


所以说,根据以下式子

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很明显,不同质量/密度的物质很容易被分离开来,这也就是离心机是如何实现这一目的的。


Clearly, materials with different masses and densities are easily separated, which explains how can a centrifuge achieve its end.


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拓展:离心机的种类

types of centrifuges


(1)small bench centrifuges

用来收集少量快速沉淀的物质,如酵母细胞和红细胞

It is used to collect small amount of material that quickly sediment, such yeast cells and red blood cells(erythrocytes).

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(2)large capacity refrigerated centrifuges

有冷冻的螺旋转子,并且能够改变转子的大小。同样收集快速沉淀的物质。

They have refrigerated rotor chamber and have capacity to change rotor chambers for varying size. They can collect substances that sediment rapidly such as erythrocytes, yeast cell, nuclei, and chloroplast.

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(3)high speed refrigerated centrifuges

收集略大一点的物质,如微生物,细胞碎片,更大的细胞器以及部分蛋白质

They collect micro-organism, cellular debris, larger cellular organelles and proteins precipitated by ammonium sulphate.

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(4)ultra centrifuges

a.preparatiive ultracentrifuge

能产生还要更大的离心力,同时它的器室是冰冻,密封,并且真空的。具体所分离的有大分子和脂蛋白等等

Its chamber is refrigerated, sealed, and evacuated.

b.analytical ultracentrifuge

比preparative产生的力略小一点,三种光学系统对其使用,都是通过探测溶液折射率的变化来工作。

Three kinds of optical systems are available for it, including a light absorption system, the alternative Schlieren system, and Rayleigh interferometric, both of which detect changes in the refractive index of the solution.

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插个题外话,关于螺旋转子有很多种

(1)swinging bucket rotors

(2)fixed angle rotors

(3)vertical tube rotors

(4)zonal rotors

(5)elutriator rotors

大家有兴趣的可以去了解一下哦~~


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和以前一样,我最后还是多嘴一句哈


文中有不accurate的地方还请大家多多指出,我一定加以改进!希望大家喜欢这样的科普。



下期预告~

还记得Mr. Ian在Holt Physics Chapter 16.2 Electric Force的首页PPT提到的辉光球/电离子魔幻球嘛?


还能回忆起它是如何工作的嘛?Let’s see~~

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