El término centrífuga puede referirse a una máquina que alberga un recipiente que gira rápidamente para separar su contenido por densidad (sustantivo) o al acto de usar la máquina (verbo). Las centrífugas se usan con mayor frecuencia para separar diferentes líquidos y partículas sólidas de los líquidos, pero pueden usarse para gases. También se utilizan para fines distintos de la separación mecánica.
Invención e historia temprana de la centrífuga
La centrífuga moderna tiene sus orígenes en un aparato de brazo giratorio diseñado en el siglo XVIII por el ingeniero militar inglés Benjamin Robins para determinar la resistencia. En 1864, Antonin Prandtl aplicó la técnica para separar los componentes de la leche y la nata. En 1875, el hermano de Prandtl, Alexender, refinó la técnica, inventando una máquina para extraer grasa de mantequilla. Si bien las centrífugas todavía se usan para separar los componentes de la leche, su uso se ha expandido a muchas otras áreas de la ciencia y la medicina.
Cómo funciona una centrífuga
Una centrífuga recibe su nombre de fuerza centrífuga—La fuerza virtual que tira de los objetos que giran hacia afuera.Fuerza centrípetaes la verdadera fuerza física en el trabajo, empujando objetos giratorios hacia adentro. Girar un balde de agua es un buen ejemplo de estas fuerzas en el trabajo.
Si el balde gira lo suficientemente rápido, el agua se tira hacia adentro y no se derrama. Si el balde se llena con una mezcla de arena y agua, girarlo produce centrifugación. De acuerdo con la sedimentación principio, tanto el agua como la arena en el balde serán atraídos hacia el borde exterior del balde, pero el denso las partículas de arena se depositarán en el fondo, mientras que las moléculas de agua más ligeras se desplazarán hacia el centrar.
La aceleración centrípeta esencialmente simula una mayor gravedad, sin embargo, es importante tener en cuenta el la gravedad artificial es un rango de valores, dependiendo de qué tan cerca esté un objeto del eje de rotación, no una constante valor. El efecto es mayor cuanto más se aleja un objeto porque viaja una distancia mayor para cada rotación.
Tipos y usos de centrífugas
Los tipos de centrífugas se basan en la misma técnica pero difieren en sus aplicaciones. Las principales diferencias entre ellos son la velocidad de rotación y el rotor diseño. El rotor es la unidad giratoria en el dispositivo. Los rotores de ángulo fijo mantienen las muestras en un ángulo constante, los rotores de cabeza oscilante tienen una bisagra que permite que los recipientes de muestras se balanceen hacia afuera a medida que aumenta la velocidad de centrifugado, y las centrífugas tubulares continuas tienen una sola cámara en lugar de una muestra individual cámaras
Separación de moléculas e isótopos: Las centrifugadoras y ultracentrífugas de velocidad extremadamente alta giran a velocidades tan altas que pueden usarse para separar moléculas de diferentes masas o incluso isótopos de los átomos La separación de isótopos se utiliza para la investigación científica y para fabricar combustible nuclear y armas nucleares. Por ejemplo, se puede usar una centrífuga de gas para enriquecer uranio, ya que el isótopo más pesado se extrae más que el más ligero.
En el laboratorio: Las centrifugadoras de laboratorio también giran a altas velocidades. Pueden ser lo suficientemente grandes como para pararse en el piso o lo suficientemente pequeños como para descansar en un mostrador. Un dispositivo típico tiene un rotor con agujeros perforados en ángulo para sostener los tubos de muestra. Debido a que los tubos de muestra se fijan en ángulo y la fuerza centrífuga actúa en el plano horizontal, Las partículas se mueven una pequeña distancia antes de golpear la pared del tubo, permitiendo que el material denso se deslice abajo. Si bien muchas centrifugadoras de laboratorio tienen rotores de ángulo fijo, los rotores de cucharón giratorio también son comunes. Dichas máquinas se emplean para aislar componentes de líquidos inmiscibles y suspensiones. Los usos incluyen la separación de componentes sanguíneos, el aislamiento de ADN y la purificación de muestras químicas.
Simulación de alta gravedad: Se pueden usar centrifugadoras grandes para simular alta gravedad. Las máquinas son del tamaño de una habitación o edificio. Las centrifugadoras humanas se utilizan para entrenar a los pilotos de prueba y realizar investigaciones científicas relacionadas con la gravedad. Las centrifugadoras también se pueden utilizar como atracciones de parques de atracciones. Mientras que las centrifugadoras humanas están diseñadas para soportar hasta 10 o 12 gravedades, las máquinas no humanas de gran diámetro pueden exponer muestras a una gravedad hasta 20 veces mayor. El mismo principio puede ser usado algún día para simular la gravedad en el espacio.
Centrifugadoras Industriales se usan para separar los componentes de los coloides (como la crema y la mantequilla de la leche), en la preparación química, en la limpieza de sólidos del fluido de perforación, en los materiales de secado y en el tratamiento del agua para eliminar el lodo. Algunas centrifugadoras industriales dependen de la sedimentación para la separación, mientras que otras separan la materia usando una pantalla o filtro. Las centrifugadoras industriales se utilizan para fundir metales y preparar productos químicos. La gravedad diferencial afecta la composición de fase y otras propiedades de los materiales.
Aplicaciones diarias: Las centrifugadoras de tamaño mediano son comunes en la vida diaria, principalmente para separar rápidamente líquidos de sólidos. Las lavadoras usan centrifugación durante el ciclo de centrifugado para separar el agua de la ropa. Un dispositivo similar saca el agua de los trajes de baño. Las centrifugadoras de ensalada, utilizadas para lavar y luego centrifugar lechugas secas y otras verduras, son otro ejemplo de una centrífuga simple.
Técnicas relacionadas
Si bien la centrifugación es la mejor opción para simular una alta gravedad, existen otras técnicas que pueden usarse para separar materiales. Éstos incluyen filtracióntamizado, destilación decantacióny cromatografía. La mejor técnica para una aplicación depende de las propiedades de la muestra utilizada y su volumen.