מה זה צנטריפוגה ומדוע משתמשים בה

המונח צנטריפוגה יכול להתייחס למכונה שמכילה מיכל מסתובב במהירות כדי להפריד בין תוכנו על ידי צפיפות (שם עצם) או לפעולת השימוש במכונה (פועל). לרוב משתמשים בצנטריפוגות להפרדת נוזלים וחלקיקים מוצקים שונים מנוזלים, אך הם עשויים לשמש לגזים. הם משמשים גם למטרות שאינן הפרדה מכנית.

הצנטריפוגה המודרנית מתחקה אחר מקורותיה למנגנון זרוע מסתובב שתוכנן במאה ה -18 על ידי המהנדס הצבאי האנגלי בנימין רובינס לקביעת הדראג. בשנת 1864 יישם אנטונין פרנדטל את הטכניקה להפרדת מרכיבי החלב והשמנת. בשנת 1875, אחיו של פרנדט, אלכסנדר, זיקק את הטכניקה, והמציא מכונה להוצאת שומן חמאה. בעוד הצנטריפוגות משמשות עדיין להפרדת רכיבי חלב, השימוש בהן התרחב לתחומים רבים אחרים של מדע ורפואה.

צנטריפוגה מקבלת את שמה כח צנטריפוגליהכוח הווירטואלי שמושך חפצים מסתובבים החוצה.כוח צנטריפטליהוא הכוח הפיזי האמיתי בעבודה, מושך עצמים מסתובבים פנימה. סיבוב דלי מים הוא דוגמא טובה לכוחות אלו בעבודה.

אם הדלי מסתובב מספיק מהר, המים נמשכים פנימה ואינם נשפכים. אם הדלי מלא בתערובת של חול ומים, מסתובבים אותו מייצרים

האצת הצנטריפטלית למעשה מדמה כוח משיכה גבוה יותר, עם זאת, חשוב לזכור כוח הכבידה המלאכותי הוא טווח ערכים, תלוי כמה קרוב אובייקט לציר הסיבוב, ולא קבוע ערך. ההשפעה גדולה יותר ככל שהאובייקט יוצא החוצה מכיוון שהוא נע מרחק גדול יותר עבור כל סיבוב.

סוגי הצנטריפוגות מבוססים כולם על אותה טכניקה אך נבדלים זה מזה ביישומים שלהם. ההבדלים העיקריים ביניהם הם מהירות הסיבוב ו- הרוטור עיצוב. הרוטור הוא היחידה המסתובבת במכשיר. רוטורים בעלי זווית קבועה מחזיקים דגימות בזווית קבועה, לרוטורי הראש המתנדנדים יש ציר המאפשר לכלי הדגימה להתנדנד כלפי חוץ ככל שעולה קצב הסחרור, ולצנטריפוגות צינוריות רצופות יש תא בודד ולא מדגם בודד תאים.

הפרדת מולקולות ואיזוטופים: צנטריפוגות ואולטרה צנטריפוגות במהירות גבוהה במיוחד מסתובבים בקצב כה גבוה עד שניתן להשתמש בהם כדי להפריד מולקולות המוניות שונות או אפילו איזוטופים של אטומים. הפרדת איזוטופ משמשת למחקר מדעי ולהפקת דלק גרעיני ונשק גרעיני. לדוגמה, ניתן להשתמש בצנטריפוגה גז להעשרת אורניום, מכיוון שהאיזוטופ הכבד יותר נמשך כלפי חוץ יותר מזה הקל יותר.

במעבדה: צנטריפוגות מעבדה מסתובבות גם הן בשיעורים גבוהים. הם עשויים להיות גדולים מספיק כדי לעמוד על רצפה או קטנים מספיק כדי לנוח על הדלפק. למכשיר טיפוסי יש רוטור עם חורים קדוחים זוויתיים להחזקת צינורות מדגם. מכיוון שצינורות המדגם קבועים בזווית וכוח צנטריפוגלי פועל במישור האופקי, חלקיקים נעים מעט לפני שהם פוגעים בקיר הצינור, ומאפשרים לחומר צפוף להחליק מטה. בעוד שבצנטריפוגות מעבדה רבות יש רוטורים בעלי זווית קבועה, רוטרי דלי מתנדנדים נפוצים גם הם. מכונות כאלה משמשות לבידוד רכיבים של נוזלים בלתי ניתנים לחלוקה השעיות. השימושים כוללים הפרדת רכיבי דם, בידוד DNA וטיהור דגימות כימיות.

סימולציה בכבידה גבוהה: ניתן להשתמש בצנטריפוגות גדולות כדי לדמות כוח משיכה גבוה. המכונות בגודל של חדר או בניין. צנטריפוגות אנושיות משמשות להכשרת טייסי מבחן ולביצוע מחקר מדעי הקשור בכוח המשיכה. צנטריפוגות עשויות לשמש גם כטיולי פארק שעשועים. בעוד הצנטריפוגות האנושיות נועדו לגדול עד 10 או 12 כוח הכבידה, מכונות שאינן אנושיות בקוטר גדול יכולות לחשוף דגימות לכוח הכבידה הרגיל עד פי 20. ניתן להשתמש באותו עיקרון יום אחד כדי לדמות כוח משיכה בחלל.

צנטריפוגות תעשייתיות משמשים להפרדת רכיבים של קולואידים (כמו שמנת וחמאה מחלב), בהכנה כימית, ניקוי מוצקים מנוזל קידוח, חומרי ייבוש וטיפול במים להסרת בוצה. חלק מהצנטריפוגות התעשייתיות מסתמכות על שקיעה לצורך הפרדה, ואילו אחרות מפרידות בין חומר באמצעות מסך או פילטר. צנטריפוגות תעשייתיות משמשות ליציקת מתכות והכנת כימיקלים. כוח הכבידה ההפרש משפיע על הרכב השלבים ועל תכונות אחרות של החומרים.

יישומים יומיומיים: צנטריפוגות בינוניות נפוצות בחיי היומיום, בעיקר כדי להפריד במהירות נוזלים ממוצקים. מכונות כביסה משתמשות בצנטריפוגה במהלך מחזור הסחרור בכדי להפריד מים מהכביסה. מכשיר דומה טווה את המים מבגדי ים. ספינרים לסלטים, המשמשים לרחצה ואז טווים חסה יבשה וירקות אחרים, הם דוגמא נוספת לצנטריפוגה פשוטה.

בעוד הצנטריפוגה היא האפשרות הטובה ביותר להדמת כוח משיכה גבוה, ישנן טכניקות אחרות שעשויות לשמש להפרדת חומרים. אלו כוללים סינון, מסננת, זיקוק, גניבה, ו כרומטוגרפיה. הטכניקה הטובה ביותר ליישום תלויה במאפייני הדגימה המשמשת ובנפח שלה.