Le terme centrifugeuse peut désigner une machine qui abrite un récipient à rotation rapide pour séparer son contenu en densité (nom) ou à l'acte d'utiliser la machine (verbe). Les centrifugeuses sont le plus souvent utilisées pour séparer différents liquides et particules solides des liquides, mais elles peuvent être utilisées pour les gaz. Ils sont également utilisés à des fins autres que la séparation mécanique.
Invention et début de l'histoire de la centrifugeuse
La centrifugeuse moderne trouve ses origines dans un appareil à bras rotatif conçu au XVIIIe siècle par l'ingénieur militaire anglais Benjamin Robins pour déterminer la traînée. En 1864, Antonin Prandtl a appliqué la technique pour séparer les composants du lait et de la crème. En 1875, le frère de Prandtl, Alexender, a affiné la technique, inventant une machine pour extraire la matière grasse. Bien que les centrifugeuses soient encore utilisées pour séparer les composants du lait, leur utilisation s'est étendue à de nombreux autres domaines de la science et de la médecine.
Comment fonctionne une centrifugeuse
Une centrifugeuse tire son nom de force centrifuge—La force virtuelle qui tire les objets en rotation vers l'extérieur.Force centripèteest la véritable force physique au travail, tirant des objets en rotation vers l'intérieur. Faire tourner un seau d'eau est un bon exemple de ces forces au travail.
Si le seau tourne assez vite, l'eau est attirée vers l'intérieur et ne se déverse pas. Si le seau est rempli d'un mélange de sable et d'eau, le faire tourner produit centrifugation. Selon le sédimentation principe, à la fois l'eau et le sable dans le seau seront attirés vers le bord extérieur du seau, mais la densité les particules de sable se déposeront au fond, tandis que les molécules d'eau plus légères seront déplacées vers le centre.
L'accélération centripète simule essentiellement une gravité plus élevée, cependant, il est important de garder à l'esprit la la gravité artificielle est une plage de valeurs, selon la proximité d'un objet avec l'axe de rotation, et non une constante valeur. L'effet est d'autant plus important qu'un objet est éloigné car il parcourt une distance plus grande à chaque rotation.
Types et utilisations des centrifugeuses
Les types de centrifugeuses sont tous basés sur la même technique mais diffèrent dans leurs applications. Les principales différences entre eux sont la vitesse de rotation et la rotor conception. Le rotor est l'unité tournante de l'appareil. Les rotors à angle fixe maintiennent les échantillons à un angle constant, les rotors à tête pivotante ont une charnière qui permet aux récipients d'échantillonnage de pivoter vers l'extérieur à mesure que le taux de rotation augmente, et les centrifugeuses tubulaires continues ont une seule chambre plutôt qu'un échantillon individuel chambres.
Séparation des molécules et des isotopes: Les centrifugeuses et ultracentrifugeuses à très grande vitesse tournent à des vitesses si élevées qu'elles peuvent être utilisées pour séparer des molécules de masses différentes ou même isotopes d'atomes. La séparation isotopique est utilisée pour la recherche scientifique et pour fabriquer du combustible nucléaire et des armes nucléaires. Par exemple, une centrifugeuse à gaz peut être utilisée pour enrichir uranium, car l'isotope le plus lourd est plus tiré vers l'extérieur que le plus léger.
Dans le laboratoire: Les centrifugeuses de laboratoire tournent également à des taux élevés. Ils peuvent être assez grands pour se tenir sur un sol ou assez petits pour reposer sur un comptoir. Un appareil typique a un rotor avec des trous percés inclinés pour contenir les tubes d'échantillons. Parce que les tubes d'échantillonnage sont fixés à un angle et la force centrifuge agit dans le plan horizontal, les particules se déplacent sur une petite distance avant de toucher la paroi du tube, permettant au matériau dense de glisser vers le bas. Alors que de nombreuses centrifugeuses de laboratoire ont des rotors à angle fixe, les rotors à godets oscillants sont également courants. Ces machines sont utilisées pour isoler les composants des liquides non miscibles et suspensions. Les utilisations comprennent la séparation des composants sanguins, l'isolement de l'ADN et la purification des échantillons chimiques.
Simulation haute gravité: De grandes centrifugeuses peuvent être utilisées pour simuler la haute gravité. Les machines ont la taille d'une pièce ou d'un bâtiment. Les centrifugeuses humaines sont utilisées pour former des pilotes d'essai et mener des recherches scientifiques liées à la gravité. Les centrifugeuses peuvent également être utilisées comme manèges de parc d'attractions. Alors que les centrifugeuses humaines sont conçues pour aller jusqu'à 10 ou 12 gravités, les machines non humaines de grand diamètre peuvent exposer les échantillons jusqu'à 20 fois la gravité normale. Le même principe pourra un jour être utilisé pour simuler la gravité dans l'espace.
Centrifugeuses industrielles sont utilisés pour séparer les composants des colloïdes (comme la crème et le beurre du lait), dans la préparation chimique, le nettoyage des solides du fluide de forage, le séchage des matériaux et le traitement de l'eau pour éliminer les boues. Certaines centrifugeuses industrielles dépendent de la sédimentation pour la séparation, tandis que d'autres séparent la matière à l'aide d'un tamis ou d'un filtre. Les centrifugeuses industrielles sont utilisées pour couler des métaux et préparer des produits chimiques. La gravité différentielle affecte la composition de la phase et d'autres propriétés des matériaux.
Applications quotidiennes: Les centrifugeuses de taille moyenne sont courantes dans la vie quotidienne, principalement pour séparer rapidement les liquides des solides. Les machines à laver utilisent la centrifugation pendant le cycle d'essorage pour séparer l'eau du linge. Un appareil similaire fait tourner l'eau des maillots de bain. Les essoreuses à salade, utilisées pour laver puis essorer la laitue sèche et d'autres légumes verts, sont un autre exemple d'une simple centrifugeuse.
Techniques connexes
Bien que la centrifugation soit la meilleure option pour simuler une gravité élevée, il existe d'autres techniques qui peuvent être utilisées pour séparer les matériaux. Ceux-ci inclus filtration, tamisage, distillation, décantation, et chromatographie. La meilleure technique pour une application dépend des propriétés de l'échantillon utilisé et de son volume.