Τι φυγοκέντρηση είναι και γιατί χρησιμοποιείται

Ο όρος φυγόκεντρος μπορεί να αναφέρεται σε μια μηχανή που στεγάζει έναν ταχέως περιστρεφόμενο περιέκτη για να διαχωρίσει τα περιεχόμενά του πυκνότητα (ουσιαστικό) ή στην πράξη χρήσης της μηχανής (ρήμα). Οι φυγοκεντρητές χρησιμοποιούνται συχνότερα για τον διαχωρισμό διαφόρων υγρών και στερεών σωματιδίων από υγρά, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αέρια. Χρησιμοποιούνται επίσης για σκοπούς άλλους από τον μηχανικό διαχωρισμό.

Η σύγχρονη φυγόκεντρος εντοπίζει την προέλευσή της σε μια συσκευή περιστρεφόμενου βραχίονα που σχεδιάστηκε τον 18ο αιώνα από τον Αγγλικό στρατιωτικό μηχανικό Benjamin Robins για να προσδιορίσει την οπισθέλκουσα. Το 1864, ο Antonin Prandtl εφάρμοσε την τεχνική για να διαχωρίσει τα συστατικά του γάλακτος και της κρέμας. Το 1875, ο αδελφός του Prandtl, Alexender, εξευγενίζει την τεχνική, επινοώντας μια μηχανή για να εξαγάγει λίπος βουτύρου. Ενώ οι φυγόκεντρες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό των συστατικών του γάλακτος, η χρήση τους επεκτάθηκε σε πολλούς άλλους τομείς της επιστήμης και της ιατρικής.

Μια φυγόκεντρος παίρνει το όνομά της φυγόκεντρος δύναμη-Η εικονική δύναμη που τραβάει τα περιστρεφόμενα αντικείμενα προς τα έξω.Κεντρομόλος δύναμηείναι η πραγματική φυσική δύναμη στην εργασία, τραβώντας τα περιστρεφόμενα αντικείμενα προς τα μέσα. Η περιστροφή ενός κάδου νερού είναι ένα καλό παράδειγμα αυτών των δυνάμεων στην εργασία.

Εάν ο κάδος γυρίσει αρκετά γρήγορα, το νερό τραβιέται προς τα μέσα και δεν χύνεται. Εάν ο κάδος γεμίσει με ένα μείγμα άμμου και νερού, το κλώσιμο παράγει φυγοκέντρηση. Σύμφωνα με την καθίζηση αρχικά, τόσο το νερό όσο και η άμμος στον κάδο θα έλκονται στην εξωτερική άκρη του κάδου, αλλά θα είναι πυκνά τα σωματίδια άμμου θα εγκατασταθούν στον πυθμένα, ενώ τα ελαφρύτερα μόρια νερού θα μετατοπιστούν προς το κέντρο.

Η κεντρομόλος επιτάχυνση ουσιαστικά προσομοιώνει μεγαλύτερη βαρύτητα, ωστόσο, είναι σημαντικό να έχουμε κατά νου το η τεχνητή βαρύτητα είναι ένα εύρος τιμών, ανάλογα με το πόσο κοντά είναι ένα αντικείμενο με τον άξονα περιστροφής, όχι μια σταθερά αξία. Το αποτέλεσμα είναι μεγαλύτερο, όσο πιο μακριά γίνεται ένα αντικείμενο, επειδή ταξιδεύει σε μεγαλύτερη απόσταση για κάθε περιστροφή.

Οι τύποι των φυγοκεντρητών βασίζονται στην ίδια τεχνική αλλά διαφέρουν στις εφαρμογές τους. Οι κυριότερες διαφορές μεταξύ τους είναι η ταχύτητα περιστροφής και η ταχύτητα περιστροφής στροφείο σχέδιο. Ο ρότορας είναι η περιστρεφόμενη μονάδα στη συσκευή. Οι ρότορες σταθερής γωνίας συγκρατούν τα δείγματα σε σταθερή γωνία, οι ρότορες αιωρούμενων κεφαλών έχουν μια άρθρωση που επιτρέπει στα δοχεία δειγμάτων να ταλαντεύονται προς τα έξω καθώς αυξάνεται ο ρυθμός περιστροφής και οι συνεχείς σωληνοειδείς φυγοκεντρητές έχουν έναν μόνο θάλαμο αντί για μεμονωμένο δείγμα θάλαμοι.

Διαχωρισμός μορίων και ισότοπων: Οι φυγοκεντρητές εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας και οι υπερφυγοκέντρες στροβιλίζονται σε τέτοιες υψηλές ταχύτητες ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαχωρίσουν μόρια διαφορετικών μαζών ή ακόμη και ισότοπα των ατόμων. Ο διαχωρισμός ισοτόπων χρησιμοποιείται για την επιστημονική έρευνα και για την κατασκευή πυρηνικών καυσίμων και πυρηνικών όπλων. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας φυγόκεντρος αερίου για τον εμπλουτισμό ουράνιο, καθώς το βαρύτερο ισότοπο τραβιέται προς τα έξω περισσότερο από το ελαφρύτερο.

Στο Εργαστήριο: Οι εργαστηριακές φυγοκέντρες στρέφονται επίσης σε υψηλές ταχύτητες. Μπορεί να είναι αρκετά μεγάλα ώστε να στέκονται σε ένα πάτωμα ή αρκετά μικρά για να ξεκουραστούν σε ένα πάγκο. Μια τυπική συσκευή διαθέτει έναν δρομέα με γωνιακές τρυπημένες οπές για τη συγκράτηση σωλήνων δειγμάτων. Επειδή οι σωλήνες δειγμάτων είναι σταθεροί υπό γωνία και η φυγόκεντρη δύναμη δρα στο οριζόντιο επίπεδο, τα σωματίδια μετακινούνται σε μικρή απόσταση προτού χτυπήσουν το τοίχωμα του σωλήνα, επιτρέποντας στην ολίσθηση του πυκνού υλικού κάτω. Ενώ πολλοί εργαστηριακοί φυγοκεντρητές έχουν σταθερούς γωνιακούς ρότορες, συνηθισμένοι είναι και οι δρομείς ταλαντευόμενου κάδου. Τέτοιες μηχανές χρησιμοποιούνται για την απομόνωση συστατικών μη αναμίξιμων υγρών και αναστολές. Οι χρήσεις περιλαμβάνουν το διαχωρισμό των συστατικών του αίματος, την απομόνωση του DNA και τον καθαρισμό χημικών δειγμάτων.

Υψηλή προσομοίωση βαρύτητας: Μεγάλες φυγόκεντρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση υψηλής βαρύτητας. Οι μηχανές είναι το μέγεθος ενός δωματίου ή ενός κτιρίου. Ανθρώπινες φυγοκεντρητές χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση πιλότων δοκιμής και τη διεξαγωγή επιστημονικής έρευνας σχετικής με τη βαρύτητα. Οι φυγόκεντρες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως βόλτες στο πάρκο ψυχαγωγίας. Ενώ οι φυγοκεντρικές γεννήτριες έχουν σχεδιαστεί για να φτάνουν έως 10 ή 12 βαρύτητας, οι μη-ανθρώπινες μηχανές μεγάλης διαμέτρου μπορούν να εκθέσουν δείγματα έως και 20 φορές τη φυσιολογική βαρύτητα. Η ίδια αρχή μπορεί μια μέρα να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της βαρύτητας στο διάστημα.

Βιομηχανικοί φυγοκεντρητές (όπως κρέμα γάλακτος και βούτυρο από γάλα), σε χημικό παρασκεύασμα, καθαρισμό στερεών από υγρό γεώτρησης, υλικά ξήρανσης και επεξεργασία νερού για την απομάκρυνση της ιλύος. Ορισμένες βιομηχανικές φυγοκεντρικές βασίζονται σε ιζηματοποίηση για διαχωρισμό, ενώ άλλες διαχωρίζουν την ύλη χρησιμοποιώντας οθόνη ή φίλτρο. Οι βιομηχανικές φυγοκεντρητές χρησιμοποιούνται για χύτευση μετάλλων και προετοιμασία χημικών ουσιών. Η διαφορική βαρύτητα επηρεάζει τη σύνθεση της φάσης και άλλες ιδιότητες των υλικών.

Καθημερινές εφαρμογές: Φυγοκεντρητές μέσου μεγέθους είναι συνήθεις στην καθημερινή ζωή, κυρίως για να διαχωρίζονται γρήγορα τα υγρά από τα στερεά. Τα πλυντήρια χρησιμοποιούν φυγοκέντρηση κατά τη διάρκεια του κύκλου περιστροφής για να διαχωρίσουν το νερό από το πλυντήριο. Μια παρόμοια συσκευή περιστρέφει το νερό από τα μαγιό. Οι κλωστές σαλάτας, που χρησιμοποιούνται για να πλυθούν και στη συνέχεια να περιστραφούν μαρούλια και άλλα χόρτα, είναι ένα άλλο παράδειγμα μιας απλής φυγοκέντρισης.

Ενώ η φυγοκέντρηση είναι η καλύτερη επιλογή για την προσομοίωση της υψηλής βαρύτητας, υπάρχουν και άλλες τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον διαχωρισμό των υλικών. Αυτά περιλαμβάνουν διήθηση, κοσκίνισμα, απόσταξη, απόχυση, και χρωματογραφία. Η καλύτερη τεχνική για μια εφαρμογή εξαρτάται από τις ιδιότητες του δείγματος που χρησιμοποιείται και τον όγκο του.