离心机工作原理

离心机工作原理 要通俗的解说离心机的工作原理，首先我们需要来做一个游戏，现在拿出一张纸,在上面画一个圆,点出圆心的位置并画一条半径.假设在半径和圆周交点处有一个物体,那么这就是一个非常简易的离心机纵视图.由这个图来解释离心机的工作原理.物体作匀速圆周运动时遵循一个规律:F=m*v*v/r,式中F代表离心力,它沿着半径指向圆心.m代表物体的质量,v代表物体的线速度,当然还有角速度那是在另一个公式里.r就是半径了.在一个离心机中离心力主要由机壁提供,当上述等式成立时,物体就会一直做圆周运动而不离开圆面. 但当离心机的转动速度提高到使左边小于右边,也就是说离心力不足时物体就会逃脱离心力的控制而离开圆面这样离心机中物体就被甩出了. 当含有细小颗粒的悬浮液静置不动时，由于重力场的作用使得悬浮的颗粒逐渐下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液体小的粒子就会上浮。微粒在重力场下移动的速度与微粒的大小、形态和密度有关，并且又与重力场的强度及液体的粘度有关。象红血球大小的颗粒，直径为数微米，就可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程。 此外，物质在介质中沉降时还伴随有扩散现象。扩散是无条件的绝对的。扩散与物质的质量成反比，颗粒越小扩散越严重。而沉降是相对的，有条件的，要受到外力才能运动。沉降与物体重量成正比，颗粒越大沉降越快。对小于几微米的微粒如病毒或蛋白质等，它们在溶液中成胶体或半胶体状态，仅仅利用重力是不可能观察到沉降过程的。因为颗粒越小沉降越慢，而扩散现象则越严重。所以需要利用离心机产生强大的离心力，才能迫使这些微粒克服扩散产生沉降运动。 离心就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。 离心机是利用离心力对混合液(含有固形物)进行分离和沉淀的一种专用仪器。实验室常用电动离心机有低速、高速离心机和低速、高速冷冻离心机，以及超速分析、制备两用冷冻离心机等多种型号。其中以低速(包括大容量)离心机和高速冷冻离心机应用最为广泛，是生化实验室用来分离制备生物大分子必不可少的重要工具。在实验过程中，欲使沉淀与母液分开，常使用过滤和离心两种方法。但在下述情况下，使用离心方法效果较好。 ?沉淀有粘性或母液粘稠。 ?沉淀颗粒小，容易透过滤纸。 ?沉淀量过多而疏松。 ?沉淀量很少，需要定量测定。或母液量很少，分离时应减少损失。 ?沉淀和母液必须迅速分开。 ?一般胶体溶液。 1、分离因素的含义: 在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值。分离因素愈大(或愈小)，说明两种溶质分离效果愈好，分离因素等于1，这两种溶质就分不开了。离心机上的分离因素则指的是相对离心力。 2、影响分离因素的主要因素: 离心力Centrifugal force (F) 离心力作为真实的力根本就不存在，在非惯性系中为计算方便假想的一个力。请看下面的说明:向心力使物体受到指向一个中心点的吸引、或推斥或任何倾向于该点的作用。笛卡儿把离心力解释为物体保持其“限定量”的一种趋势。它们的区别就是，向心力是惯性参考系下的，而离心力是非惯性系中的力。我们处理物理题时都是在惯性系下(此时牛顿定律才成立)，所以一般不用离心力这个概念。由于根本不是一个情况下的概念，我们无法对他们的方向和大小进行比较。 F=mω2r ω:旋转角速度(弧度,秒) r:旋转体离旋转轴的距离(cm) m:颗粒质量 相对离心力 Relative centrifugal force (RCF) RCF 就是实际离心力转化为重力加速度的倍数 g为重力加速度(9.80665m/s2) 同为转于旋转一周等于2π弧度，因此转子的角速度以每分钟旋转的次数(每分钟转数n或r/min)表示:一般情况下，低速离心时常以r,min来表示。 3、分离因素计算公式: RCF=F离心力,F重力= mω2r/mg= ω2r/g= (2*π*r/r*rpm) 2*r/g 注:rpm应折换成 转/秒 例如:直径1000mm，转速1000转/分的离心机，分离因素为: RCF(1000)=(2*3.1415*16.667)^2*0.5/9.8 =104.72^2*0.5/9.8 =560 1、沉降系数 (sedimentation coefficient，s)根据1924年Svedberg(离心法创始人--瑞典蛋白质化学家)对沉降系数下的定义:颗粒在单位离心力场中粒子移动的速度。沉降系数是以时间表示的。用离心法时，大分子沉降速度的量度，等于每单位离心场的速度。或s=v/ω2r。s是沉降系数，ω是离心转子的角速度(弧度/秒)，r是到旋转中心的距离，v是沉降速度。沉降系数以每单位重力的沉降时间表示，并且通常为1,200×10^-13秒范围，10^-13这个因子叫做沉降单位S，即1S=10^-13秒. 2、基本原理 物体围绕中心轴旋转时会受到离心力F的作用。当物体的质量为 M、体积为V、密度为D、旋转半径为r、角速度为ω(弧度数/秒)时，可得: F=Mω2r 或者 F=V.D.ω2r (1) 上述表明:被离心物质所受到的离心力与该物质的质量、体积、密度、离心角速度以及旋转半径呈正比关系。离心力越大，被离心物质沉降得越快。 在离心过程中，被离心物质还要克服浮力和摩擦力的阻碍作用。浮力F,和摩擦力F,,分别由下式表示: F’=V.D’.ω2r (2) F’’=f dr/dt (3) 其中D,为溶液密度，f为摩擦系数，dr/dt为沉降速度(单位时间内旋转半径的改变)。 基本原理 在一定条件下，可有 : F=F’+F’’ V.D. ω2r =V.D’ω2r + f. dr/dt dr/dt =Vω2r (D-D’)/f (4) 式(4)表明，沉降速度与被离心物质的体积、密度差呈正比，与f成反比。若以S表示单位 力场(ω2r=1)下的沉降速度，则 S=V(D-D’)/f 。S即为沉降系数 惯性系Ox'y'z'绕惯性系Oxyz的z轴(z轴垂 直于平面Oxy,图中未画出)以角速度ω匀速转动.在这种非惯性系中 也可应用非惯性系牛顿第二定律:质点受到的外力和惯性力的合力, 等于质量与加速度的乘积.这里的惯性力也是假想的力,没有施力物 体.这种惯性力包含两项,其中一项是由Oxyz的z轴上的某点垂直于z 轴指向质点，称为惯性离心力,另一项比较复杂,与质点相对坐标系 O'x'y'x'的速度有关,称为科里奥利力或科氏力. 对于相对非惯性系O'x'y'z'保持静止的质点来说, 惯性力只有 一项:惯性离心力. 质点离z轴的距离为r时,质点在非惯性系O'x'y'z' 中受到的惯 性离心力的大小等于mω2r. 在惯性系中应用动力学定律时，不应该使用惯性力和惯性离心 力概念. 例题1:如图37,细杆MN竖直放在圆盘上,在绳子的M 端跟圆盘的 中心Q点之间连有一根细绳.原来圆盘静止,细绳上拉力为零.圆盘以 角速度ω绕OO'轴匀速转动时,细杆相对圆盘静止,仍然竖直,这时细 绳上的拉力多大?已知细杆的质量为m,QN=NM=s. 解:细杆上各点离转动轴OO'的距离都是s,所以在圆盘参考系中, 细杆受到的惯性离心力F离=mω2s.在圆盘参考系中,细杆除了N端以 外,其它各处受三个力:F离、重力、细绳对细杆M点的拉力T,其中重 力的作用线过N点.在圆盘参考系中,细杆保持静止,因此受到的包括 惯性力在内的各力的和应为零, 各力对任意直线的力矩的代数和应 为零.由各力对N点(对过N点垂直于平面MNQ的直线)的力矩的代数和 为零,可得 T(s/ 2)=mω2s(s/2) 于是 T= 2mω2s/2 细绳上的拉力等于 2mω2s/2. 例题2:如图38,圆盘以角速度ω绕着OO'轴匀速转动, 均匀细杆 MN的N端通过绞链跟圆盘连接,相对圆盘保持静止.已知θ=45?,QN =s,那么ω应为怎样的值? (A)ω等于 (2g/s)1/2 (B)ω为小于 (2g/s)1/2的某个值 (C)ω为大于 (2g/s)1/2的某个值 一种解答:图39中标出了均匀细杆受到的作用线不过 N点的力. 细杆的质心在细杆的中点,离转动轴的距离为(s/2),惯性离心力 F离=mω2(s/2) 在圆盘参考系中,惯性离心力和重力对N点的力臂都等于(s/2); 这两个力对N点的力矩的代数和应为零.所以二力大小相等: mω2(s/2)=mg 所以 ω=(2g/s)1/2 讨论:细杆可以看成刚体,看成由若干彼此间相对位置不变的质 点组成的质点组.各个质点离转动轴的距离不同,它们受到的惯性离 心力的和是否等于(mω2)乘以质心离转动轴的距离呢?它们是否等效 于作用于质心的一个力呢?对第一个问题应该作肯定回答(这里不加 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ),对第二个问题不能作肯定回答.把细杆MN分成长度相等(质量 相等)的若干段,由于靠近M端的小段离转动轴较近,因此靠近M 端的 小段受到的惯性离心力较小,从M端到N端,各小段受到的惯性离心力 依次增大.所以各小段受到的惯性离心力的合力的作用点离M端较远, 离N端较近, 大约在图40中P1点.惯性离心力合力的力臂小于重力的 力臂, 所以前面解答中“=”应改为“>”.所以本题的正确答案是 (C). 从这个例题的情景, 可以联想到自行车转弯时车身向内倾侧的 情景. 在后一情景中可以取从弯道圆心指向自行车前后轮两个着地 点的中点的方向为一个坐标轴方向, 取从弯道圆心垂直向上的方向 为一个坐标轴方向, 这样建立的坐标系绕着过弯道圆心的竖直直线 转动,可以在这个非惯性系中进行动力学分析. 离心力(Centrifugal force)是长期以来被人们误解而产生的一种假想力，即惯性。因为无法找出施力物体，背离了牛顿第三定律。当物体作圆周运动时，类似于有一股力作用在离心方向，因此称为离心力。 离心力就是物体在圆盘上旋转产生背离圆盘中心的力，比如洗衣机的脱水桶就是使用离心力的原理。 离心力F=a*m 这里a是向心加速度，a=w的平方*r，w是角速度，r是半径;m是物体质量。 离心力是在两种条件下产生的，是由物体的惯性运动力和中心束缚力交织在一起产生的，摆脱中心束缚力的物质便离心而去。 在天体上，卫星在主星边缘做惯性运动，由于主星的引力束缚了卫星，使卫星做圆周公转，如果卫星的惯性运动力(速度)大于主星的引力束缚力，那卫星便远离中心一些。 在地球上，物体在不动的中心边缘做惯性运动，由于物体的结合力束缚物体，使物体做圆周旋转，如果物体的惯性运动力(速度)大于物体的结合力，那惯性运动的物体便远离中心而去。由于水和气体的结合力很低，它们都会离中心而去。结合力高的金属则不会离心而去。 现将惯性离心力和离心力概念简单解释一下: 我们通常是以地面做参考系，可设想地面是静止的，或者在不太长的距离中把地面运动视为匀速直线运动，即惯性参考系，牛顿就是在这样的前提下才总结出了运动定律。如果参考系是变速的，即非惯性参考系，牛顿定律就不能直接应用了，因此人们假想出了“惯性力”来解决牛顿定律的应用问题。惯性离 匀速圆周运动的心力是非惯性系中的假想力。下面举匀速圆周运动例子: 线速度方向时刻变化，说明有向心加速度，而向心加速度方向也时刻变化，这是个典型的非惯性系。如果有个大转盘在作匀速圆周运动，你坐到盘上不要看周围景物，此时就把自己置身于非惯性系了，你肯定会感觉到有某种力量想把自己推下来，而此时又没有任何施力物推你，这种力量就称为惯性离心力。 最后提醒一点，所谓"惯性力"之存在于非惯性系，是一种虚拟力，是为了将牛顿定律推广到非惯性系上使用而虚拟的一种力，在加上这样的虚拟力后除了牛顿第三定律外，牛顿力学中的各种定律、定理在非惯性系上都可以得以运用。 世界上并不存在一种叫做“离心力”的力。平时说的“离心力”是指“离心惯性力”或者“惯性离心力”，总之“惯性”二字绝对不能丢，因为学过大学物理的都知道，“惯性力”并不是真实存在的力，而是在“非惯性参照系”(注意那个“非”字)下，为了方便运算而臆想出来的一个原本不存在的虚幻的“力”。同样的，世界上没有离心力，那是为了方便计算而假设的一个“力” 举个例子，一个人坐在车上，车突然右拐，楼主的身子向左倾斜，其实，并没有一个力拉着楼主的身子左倾，楼主身子左倾是因为楼主的下半身由于受椅子的摩擦力作用，被车带动向右拐弯了，而楼主的身子则因为惯性还在保持刚才的运动状态。楼主的下半身随车右拐，而身子保持刚才的运动状态，就导致了楼主感觉左倾。这是左倾产生的原因。但是，如果我们把车选为坐标系，车就是一个做变速(速度方向变了)运动的“非惯性参照系”，相对于车，仿佛有一个“力”向左拉楼主的身体引起了楼主的左倾，为了方便计算，我们就“假设”真的有一个力在向左拉楼主的身体引起楼主的左倾，这个假设存在的力就是“惯性力”。而这个例子中，恰好非惯性系(车)在做圆周运动(拐弯)，这个假设存在的“惯性力”的方向是偏离圆心的(因为车“右”拐，人“左”倾嘛)，因此，这个“惯性力”就叫“离心惯性力”。 再举个更一般的惯性力(而不是离心惯性力)的例子:比如在站在平稳疾驰的车上，车突然刹车，人会向前趴倒，可是车明明是挺下了，也没有人推你，你为何向前趴到呢,原理大家都知道，因为人脚受摩擦力作用，和车一起停下或减速了，但身体受惯性作用，继续保持刚才的速度向前冲，所以往前趴倒。 但如果我们以车(因为车做速运动，所以也是非惯性参照系)为参考系的话，为方便计算和构建物理模型，我们就“假设存在”一个推人向前倒的“推力”，这个“推力”也是“惯性力”。显然，这个“推力”并不存在，只是我们选择了车作为参照系，为了解释物理现象和假设存在的力。 当然，在这一假设过程中，离心惯性力在表面上确实是和向心力(确实存在的力)大小相等，方向相反的。但必须要强调，“离心力”并不实际存在，它只存在于非惯性参照系中，而且是人臆想出来的力。物体在做圆周运动时，如果向心力不足，会离旋转中心越来越 现在物理学中无“离心力”这一概念，所以，远。这样的运动叫做离心运动。 无法用离心力解释这个现象。 你说的这种工业装置叫做“旋风除尘器”，大体原理是: 含颗粒气体进入旋风除尘器时做旋转运动。由于颗粒的密度显著大于气体的密度，所以在做旋转运动的同时，伴随着显著的离心运动。颗粒在碰到器壁时受到摩擦，运动速度降低，在重力作用下沉降到除尘器底部被定时排除。 做匀速圆周运动的物体，在合外力突然消失或者合外力不足以提供所需的向心力时，将做逐渐远离圆心的运动，此种运动叫“离心运动”。物体做离心运动在的轨迹可能为直线或曲线。半径不变时物体作圆周运动所需的向心力，是与角速度的平方(或线速度的平方)成正比的。若物体的角速度增加了，而向心力没有相应地增大，物体到圆心的距离就不能维持不变，而要逐渐增大使物体沿螺线远离圆心。若物体所受的向心力突然消失，即将沿着切线方向远离圆心而去。人们利用离心运动的原理制成的机械，称为离心机械。例如离心分液器、离心节速器、离心式水泵、离心球磨机等都是利用离心运动的原理。当然离心运动也是有害的，应设法防止。例如砂轮的转速若超过规定的最大转速，砂轮的各部分将因离心运动而破碎。又如火车转弯时，若速度太大会因倾斜的路面和铁轨提供给它的向心力不足以维持它作圆周运动，就会因离心运动而造成出轨事故