Центробежная сила • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Во вращающейся системе отсчета наблюдатель испытывает на себе действие силы, уводящей его от оси вращения.

Вам, наверное, доводилось испытывать неприятные ощущения, когда машина, в которой вы едете, входила в крутой вираж. Казалось, что сейчас вас так и выбросит на обочину. И если вспомнить законы механики Ньютона, то получается, что раз вас буквально вдавливало в дверцу, значит на вас действовала некая сила. Ее обычно называют «центробежная сила». Именно из-за центробежной силы так захватывает дух на крутых поворотах, когда эта сила прижимает вас к бортику автомобиля. (Между прочим, этот термин, происходящий от латинских слов centrum («центр») и fugus («бег»), ввел в научный обиход в 1689 году Исаак Ньютон.)

Стороннему наблюдателю, однако, всё будет представляться иначе. Когда машина закладывает вираж, наблюдатель сочтет, что вы просто продолжаете прямолинейное движение, как это и делало бы любое тело, на которое не оказывает действия никакая внешняя сила; а автомобиль отклоняется от прямолинейной траектории. Такому наблюдателю покажется, что это не вас прижимает к дверце машины, а, наоборот, дверца машины начинает давить на вас.

Впрочем, никаких противоречий между этими двумя точками зрения нет. В обеих системах отсчета события описываются одинаково и для этого описания используются одни и те же уравнения. Единственным отличием будет интерпретация происходящего внешним и внутренним наблюдателем. В этом смысле центробежная сила напоминает силу Кориолиса (см. Эффект Кориолиса), которая также действует во вращающихся системах отсчета.

Поскольку не все наблюдатели видят действие этой силы, физики часто называют центробежную силу фиктивной силой или псевдосилой. Однако мне кажется, что такая интерпретация может вводить в заблуждение. В конце концов, едва ли можно назвать фиктивной силу, которая ощутимо придавливает вас к дверце автомобиля. Просто всё дело в том, что, продолжая двигаться по инерции, ваше тело стремится сохранить прямолинейное направление движения, в то время как автомобиль от него уклоняется и из-за этого давит на вас.

Чтобы проиллюстрировать эквивалентность двух описаний центробежной силы, давайте немного поупражняемся в математике. Тело, движущееся с постоянной скоростью по окружности, движется с ускорением, поскольку оно всё время меняет направление. Это ускорение равно v²/r, где v — скорость, а r — радиус окружности. Соответственно, наблюдатель, находящийся в движущейся по окружности системе отсчета, будет испытывать центробежную силу, равную mv²/r.

Теперь обобщим сказанное: любое тело, движущееся по криволинейной траектории, — будь то пассажир в машине на вираже, мяч на веревочке, который вы раскручиваете над головой, или Земля на орбите вокруг Солнца — испытывает на себе действие силы, которая обусловлена давлением дверцы автомобиля, натяжением веревки или гравитационным притяжением Солнца. Назовем эту силу F. С точки зрения того, кто находится во вращающейся системе отсчета, тело не движется. Это означает, что внутренняя сила F уравновешивается внешней центробежной силой:

    F = mv²/r

Однако с точки зрения наблюдателя, находящегося вне вращающейся системы отсчета, тело (вы, мяч, Земля) движется равноускоренно под воздействием внешней силы. Согласно второму закону механики Ньютона, отношение между силой и ускорением в этом случае F = ma. Подставив в это уравнение формулу ускорения для тела, движущегося по окружности, получим:

    F = ma = mv²/r

Но тем самым мы получили в точности уравнение для наблюдателя, находящегося во вращающейся системе отсчета. Значит, оба наблюдателя приходят к идентичным результатам относительно величины действующей силы, хотя и исходят из разных предпосылок.

Это очень важная иллюстрация того, что представляет собою механика как наука. Наблюдатели, находящиеся в различных системах отсчета, могут описывать происходящие явления совершенно по-разному. Однако, сколь бы принципиальными ни были различия в подходах к описанию наблюдаемых ими явлений, уравнения, их описывающие, окажутся идентичными. А это — не что иное, как принцип инвариантности законов природы, лежащий в основе теории относительности.

Машины для центробежного литья Центробежная машина

Консольная центробежная машина с горизонтальной осью

Машины центробежного литья с вертикальной осью

Роликовые машины для трубных отливок

Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы расплавоми формирование отливки происходят при вращении формы либо вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах. Чаще используют два варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки – тела вращения малой и большой протяженности, во втором – тела вращения малой протяженности и фасонные отливки.

К преимуществами центробежного способа литья можно отнести:

• возможность улучшения заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами;
• повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений;
• уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок;
• исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб;

Компания СИБТЕХЛИТ поставляет следующие типы центробежных машин :

Консольная центробежная машина с горизонтальной осью

Основной движущий орган машины состоит из станины, поворотной тарелки (для крепления оснастки), электродвигателя с частотным регулятором, подшипников, основного вала, передачи, выталкивателя (для горизонтального типа) и др. частей. Движущий орган является главной частью машины центробежного литья, посредством которого производится вращение поворотной тарелки, во время вращения осуществляется заливка. Оснастка закрепляется на поворотной тарелке. Бесступенчатая регулировка скорости вращения шпинделя позволяет изготавливать отливки различного диаметра в соответствии с технологией; шпиндель оснащен тормозным механизмом, сокращающим время остановки машины и повышая её производительность. Машины центробежного литья марки J 51 оснащены пневматическим выталкивателем, который состоит из пневмоклапанов, рычага выталкивания крышки, а также пневмоцилиндра выталкивания. После затвердевания отливки цилиндр выталкивания крышки приводит в движение толкатель для того чтобы отливка вышла из оснастки. Охлаждающая система включает в себя охладитель подшипников, шпинделя, оснастки и других частей. Охлаждение подшипников эффективно продлевает срок их использования. Электронная система управления. Вращение шпинделя осуществляется за счет движущей силы, от двигателя с регулируемой частотой вращения. Это в свою очередь даёт возможность изготавливать различные отливки в соответствии с технологическими требованиями. Электронная система управления состоит из шкафа управления, частотного регулятора, электронного узла низкого давления, кнопок, индикаторной лампы и других элементов. Электронная система управления имеет два способа работы: ручной и полуавтоматический. Время регулировки скорости и охлаждения и другие технологические параметры можно настраивать и менять. Система обладает функцией оповещения неисправностей. Система управления обладает системой блокировки перегрузки, перетекания и других мер безопасности. Машина оснащена предохранительным кожухом и разливочным лотком. Предохранительный кожух защищает сплав от разбрызгивания и собирает дым во время разливки, гарантируя безопасное производство.

Машины центробежного литья с вертикальной осью 

Вертикальная машина центробежного литья разработана для производства фланцевых отливок методом центробежного литья. Данное оборудование состоит из привода вертикального центробежного литья, системы электроконтроля, системы масляного насоса, защитного механизма и системы литья. 1. Привод – это центральная часть вертикальной машины центробежного литья. Центробежное литье осуществляется при помощи вращения диска. Кокиль устанавливается на вращающейся пластине, скорость вращения которой регулируется бесступенчато, что позволяет делать отливки различных диаметров. Вращающийся диск и вертикальная ось приводятся в движение двигателем переменного тока при помощи ременного привода. 2. Система электроконтроля Вращающийся диск с кокилем приводится в движение двигателем с преобразуемой частотой. Система электроконтроля состоит из частотного преобразователя, PLC, сенсорного экрана, элекроприборов низкого напряжения и сигнальных ламп. Имеется взаимная блокировка, защита от перегрузки по току. 3. Защитный кожух Оборудование оснащено фиксированным защитным кожухом и мобильным защитным кожухом. Обычно фиксированный кожух не двигается, раскрывается только при капитальном ремонте оборудования. Мобильный защитный кожух используется при литье, извлечении отливок, смене кокилей. Во время литья кожух полностью закреплен для обеспечения безопасности рабочих. 4. Система литья Система литья состоит главным образом из литейного ковша и фиксированной рамы литейного ковша. Литейный ковш – сварная конструкция из стальных листов, внутренний слой выложен защитными огнеупорами (пользователь самостоятельно изготавливает защитный термостойкий слой). При литье ковш фиксируется на мобильном защитном кожухе , осуществляется литье, по его завершении ковш подвешивается.

Роликовые центробежные машины  

Горизонтальная машина центробежного литья с 4 опорными роликами моделей J524 – это литейное комплектное оборудование предназначенное для получения трубных заготовок (отливок) с соотношением длины L к диаметру D в пропорции L/D > 2/1. На машинах роликового типа возможно получение отливок D=100-1000 мм, L=600-6000 мм, массой до 5 тонн. Переход от одного типоразмера на другой осуществляется путем замены изложницы (кокиля). Состоит машина главным образом из привода, устройства для пульверизации противопригарного (разделительного) покрытия, механизма для заливки, устройства извлечения отливок (труб), защитного кожуха и системы электроконтроля. Основные особенности конструкции 1. Привод Привод включает в себя раму, буксу, двигатель с регулируемой частотой, ведущий и ведомый шкивы, ремень, раму двигателя и т.п. Привод — горизонтальная 4-х роликовая конструкция, 4 ролика располагаются по двум сторонам кокиля (оснастки). Ведущий ролик приводится в движение двигателем переменного тока с преобразуемой частотой через ременный привод. Ведущий ролик поддерживает кокиль и запускает его вращение. При литье кокиль помещается между роликов, центр окружности роликов и центр вращения кокиля образуют заключенный угол сторон 95°~115°. Во время запуска двигатель через ременный привод запускает вращение главной оси, после чего сила трения между роликами и кокилем передает крутящий момент, запуская кокиль. Так осуществляется процесс литья.

Компания СИБТЕХЛИТ поставляет центробежные машины со следующими комлектующими:

Оснастка для центробежного литья. Оснастка выполняется из стали конструкционной легированной марки 42CrMo. Стойкость оснастки до 700 циклов (при условии применения разделительного покрытия на рабочей поверхности).

Устройство окраски для центробежной машины. Устройство представляет собой компактно смонтированный на тележке герметичный бак, куда заливается разделительное покрытие. В бак подается избыточное давление при помощи сжатого воздуха. Краска поступает по трубкам в копье. Тележка двигается по рельсам при помощи лебедки. Движение производится вдоль машины. Скорость регулируется при помощи преобразователя частоты. Копье заводится во вращающуюся нагретую оснастку и производится пульверизация разделительного покрытия. Изменяя скорость движения копья можно изменять толщину противопригарного покрытия. Ход копья ограничивают регулируемые концевые выключатели. Бак выполнен из нержавеющей стали. Давление пульверизации, а также давление в баке регулируются в диапазоне 0,2-0,5 МПа. Оно устройство окрашивания может быть применимо для 2-х установок, т.к. окрасочное копье перекидывается в зеркальное положение.

Шкаф управления. Основной принцип действия шкафов управления основан на постоянном контроле изменений параметров системы и выборе оптимальных параметров работы центробежной машины. Управление машиной может осуществляться в ручном или автоматическом режимах. Применение шкафа управления позволяет во многих случаях снизить потребление электроэнергии, защитить электродвигатели от недопустимых и нежелательных режимов работы, и, как следствие, продлить срок их эксплуатации на объекте. Шкаф управления оснащен сенсорным экраном, на котором можно наблюдать работу машины по заданной технологической кривой.

Гидравлическая станция предназначена для обеспечения гидравлической энергией механизма, выталкивающего отливку из формы. Основными компонентами насосной гидравлической станции являются: двигатель (электрический или ДВС), гидронасос, гидробак и соединительные элементы: колокол и муфта. .

Как работает центрифуга?

Независимо от того, наслаждаются ли они сиропом на своих блинах или гордо носят серебряное ожерелье, средний гражданин извлекает выгоду из промышленных центрифуг гораздо чаще, чем они, вероятно, думают — если они вообще о них слышали.

Но оборудование играет неотъемлемую роль в нашем обществе, имея широкий спектр применений в самых разных отраслях, включая пищевую промышленность, очистку сточных вод, горнодобывающую промышленность, фармацевтику и производство биотоплива.

Физика центрифуг не является общеизвестной и часто вызывает любопытство. Так как же все-таки работает центрифуга?

Центрифуга работает за счет вращения с высокой скоростью, тем самым разделяя вещества с помощью силы центростремительной силы (и кажущейся центробежной «силы» — подробнее об этой концепции позже). Приложенная сила может в несколько сотен или тысяч раз превышать силу земного притяжения.

Почувствуйте на себе силу центрифугирования

Если вы хотите буквально ощутить силу центрифугирования на себе, возьмите твердый предмет размером с яблоко и давайте повеселимся, проведя небольшой научный эксперимент.

Держите свой предмет на расстоянии вытянутой руки и вращайтесь по кругу (не сильно заморачивайтесь, наверное, оно того не стоит).

Когда вы будете вращаться быстрее, вы сможете почувствовать физическое притяжение этого предмета к своей руке. Вращайтесь быстрее, и эта сила становится еще сильнее.

Если вы отпустите этот объект (пожалуйста, не делайте этого, если он хрупкий), он полетит по прямой линии, касательной к кругу, который вы создали своим новым классным танцевальным движением.

Физика центрифугирования

Если вы подыграете и проведете описанный выше эксперимент, вы ощутите действие двух равных и противоположных сил.

Во-первых, это сила, создаваемая вашим вращением, которая преобразуется в скорость объекта, который вы держите в руке.

Вторым был рывок, который вы чувствовали на своей руке, поскольку он постоянно перенаправлял вектор вашего объекта и не позволял ему летать через комнату. Это известно как центростремительная сила .

Центростремительная сила может быть определена как сила, которая действует на объект, чтобы направить его к центру кривизны. Это сама суть того, что заставляет центрифугу работать.

Так что же такое центробежная сила?

Центробежная сила технически вообще не является «силой». На самом деле она определяется как «кажущаяся» сила, поскольку объект ощущает ее только в результате инерции.

Все мы знаем, что движущийся объект остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Таким образом, без достаточно сильной центростремительной силы, чтобы изменить свой вектор, объект естественно стремится двигаться по прямой линии.

Стенка (или корзина, в некоторых случаях) в центрифуге не позволяет этому объекту сделать это. Так что на самом деле то, что ощущает объект, это его собственная сила, действующая на стену.

Это похоже на принцип, по которому вы чувствуете натяжение ремня безопасности, когда резко нажимаете на тормоза автомобиля. Ваш ремень безопасности на самом деле не давит на вас; это мешает вам продолжать двигаться вперед, как это сделал кофе в подстаканнике.

Что делает центрифуга?

Целью центрифуги является использование вышеперечисленных принципов и их использование для отделения жидкостей от твердых веществ (или более легких жидкостей от более плотных). По сути, он делает то же самое, что и гравитация, но гораздо быстрее.

Подумайте о бутылке свежевыжатого апельсинового сока. Мякоть естественным образом оседает на дно, потому что она плотнее самого сока.

Если вы нетерпеливы и не хотите ждать, пока гравитация сотворит свое волшебство, вы можете использовать центрифугу, которая создает силу, намного более сильную, чем гравитация, чтобы ускорить процесс.

Типы центрифуг и их применение

Существует два основных типа промышленных центрифуг: фильтрация и осаждение . Вот немного об обоих и несколько примеров того, для чего они используются.

Центрифуги для фильтрации

В центрифуге для фильтрации используется корзина с перфорацией, через которую проходит жидкость при ее вращении.

Объемные твердые вещества в смеси, однако, слишком велики, чтобы пройти через отверстия, и слабые водородные связи, которые могут привести к тому, что некоторые жидкие частицы прилипнут к этим твердым веществам, разорвутся, когда центрифуга достигнет высоких скоростей.

Последний цикл отжима вашей стиральной машины — это повседневный пример работы фильтрующей центрифуги.

Промышленное применение включает выделение кристаллизованного сахара из кленового сиропа, переработку мяса, переработку полезных ископаемых для получения драгоценных металлов и химическую переработку соли.

Центрифуги для осаждения

Центрифуги для осаждения (категория, в которую входят декантерные и тарельчатые центрифуги) имеют цельный барабан без отверстий.

Во время центрифугирования твердые частицы прилипают к стенке чаши (или скапливаются на полу в виде «гранул»), а более легкие жидкости выходят через специальный выпускной канал.

Промышленное применение включает очистку сточных вод, бурение нефтяных и газовых скважин и переработку молочных продуктов.

Используйте силу

Центростремительная сила является мощным инструментом разделения, и наличие высокопроизводительной центрифуги может привести к успеху или краху определенных предприятий.

Если вам нужна надежная центрифуга (и внимательное техническое обслуживание), обратитесь в компанию Separators Мы вам поможем.

Основы центрифугирования — Eppendorf Handling Solutions

Центрифугирование — это метод разделения смесей за счет применения центробежной силы. Центрифуга — это устройство, обычно приводимое в действие электродвигателем, которое приводит объект, например ротор, во вращательное движение вокруг фиксированной оси.

Центрифуга работает по принципу седиментации: под действием гравитационной силы (перегрузки) вещества разделяются в соответствии с их плотностью. Известны различные виды разделения, в том числе изопикническое, ультрафильтрационное, в градиенте плотности, фазовое разделение и гранулирование.

Гранулирование является наиболее распространенным применением центрифуг. Здесь частицы концентрируются в виде осадка на дне центрифужной пробирки и отделяются от оставшегося раствора, называемого супернатантом. При фазовом разделении химические вещества переводятся из матрицы или водной среды в растворитель (для дополнительного химического или молекулярно-биологического анализа). При ультрафильтрации макромолекулы очищают, разделяют и концентрируют с помощью мембраны. Изопикническое центрифугирование проводят с использованием «самогенерирующегося» градиента плотности, устанавливаемого за счет равновесной седиментации. Этот метод концентрирует анализ совпадений с анализом окружающего раствора. В протоколах центрифугирования обычно указывается относительная центробежная сила (RCF) и степень ускорения, кратная g (g-сила). Работа со скоростью вращения, такой как обороты в минуту (об/мин), довольно неточна.

Важные определения

Как правило, приложения для центрифугирования указывают степень ускорения, которое должно быть применено к образцу, а не конкретную скорость вращения, такую ​​как обороты в минуту. Ускорение обычно выражается в единицах силы тяжести [× g] (или кратно xg или g-силе), стандартном значении ускорения, вызванного силой тяжести на поверхности Земли (9,81 м/с ² ). Различие между числом оборотов в минуту и ​​центробежной силой важно, поскольку два ротора с разными диаметрами, работающие с одинаковой скоростью вращения (об/мин), приведут к разным ускорениям (rcf).

Почему?

Поскольку движение ротора круговое, сила ускорения рассчитывается как произведение радиуса на квадрат угловой скорости. Исторически известная как «относительная центробежная сила» (ОЦС), это измерение ускорения, прикладываемого к образцу при круговом движении. Этот процесс измеряется в единицах гравитации
(× г).

*используя приведенную выше формулу

Как уже упоминалось, при использовании роторов
с различными радиусами для центрифугирования следует использовать одно и то же центробежное усилие
(g-сила).

Обе центрифуги могут вращать ротор с пробирками объемом 1,5/2 мл с одинаковой скоростью (14 000 об/мин), но ускорение, прикладываемое к образцам, сильно различается: 13 100 × g против 20 817 × g, что приводит к разным результатам. Чтобы облегчить жизнь и лучше воспроизвести данные, некоторые центрифуги имеют кнопки непосредственно на панели управления для автоматического преобразования между об/мин и об/мин. Если ваша центрифуга не оснащена преобразователем об/мин-rcf, вы можете использовать формулу, преобразователь rpm-rcf, найденный на домашних страницах поставщиков центрифуг, или номограмму для преобразования. К-фактор — это параметр расстояния седиментации в пробирке. Этот коэффициент также называется коэффициентом очистки и представляет собой относительную эффективность грануляции системы центрифугирования при максимальной скорости вращения. Как правило, значение k-фактора используется для оценки времени t (в часах), необходимого для полной седиментации фракции пробы с известным коэффициентом седиментации, измеряемым в с (Сведберг).

Небольшой k-фактор означает более быстрое разделение. Значение k-фактора в первую очередь определяется диаметром ротора. По сравнению с об/мин/об/мин использование k-фактора стало менее важным для обычных процессов центрифугирования. Особенно для ультрацентрифугирования k-фактор по-прежнему актуален.

Как правильно выбрать центрифугу для вашего применения

Если вы следуете заданному протоколу, обязательно используйте тот же тип ротора и применяйте заданную относительную центробежную силу (ОЦС), а также ту же температуру и время работы. . В целом, для успешного проведения центрифугирования необходимо определить следующие основные параметры:

A: Тип пробы

B: Выбор сосуда

C: Тип центрифуги

D: Тип ротора

E: Определение требуемой относительной центробежной силы

F: Заданная температура во время центрифугирования

Угловые или бакетные роторы

Наиболее распространенными в лабораторном центрифугировании являются роторы с фиксированным углом или бакетные роторы. Лишь в некоторых случаях требуются специальные роторы, такие как прямоточные роторы, барабанные роторы и т.п. Проточные роторы обеспечивают непрерывный сбор осадков. Эти системы используются, например, в ферментерах для сбора урожая или для производства сока в пищевой промышленности. Необходимы специальные индивидуальные версии, оптимизированные для конкретного применения.

Угловой ротор

Очевидным преимуществом является отсутствие движущихся частей в роторе. Это приводит к более низкому напряжению металла (более длительный срок службы), возможно более высокое максимальное ускорение и для многих применений может быть реализовано более быстрое время центрифугирования. Единственным недостатком является ограниченная производительность (меньшая гибкость) ротора с фиксированным углом. Положение пули сильно зависит от угла наклона трубки, при вращении она располагается сбоку на дне трубки. Большинство роторов имеют угол наклона трубок 45°. Чем больше угол для трубок, тем плотнее гранула. Меньшие углы ротора приводят к большему распределению пеллет.

Бакетный ротор

Этот тип ротора очень гибок для использования с пробирками различных форматов, включая планшеты формата SBS, на основе широкого спектра систем адаптеров и большой вместимости проб. Движущиеся части поворотного ковша вызывают повышенную нагрузку на металл ротора и ковша, поскольку вес ковша оказывает нагрузку на два шарнира и канавки. Таким образом, по сравнению с ротором с фиксированным углом ротор с поворотным бакетом ограничен более низким максимальным усилием g, что приводит к увеличению времени центрифугирования. По принципу качающегося ведра гранула находится в нижней части трубы (горизонтальное положение трубы во время работы). Извлечение пользователем облегчено по сравнению с гранулами, расположенными сбоку от трубки.

Как правило, центрифуги делятся на напольные и настольные модели.

Напольные центрифуги

Напольные центрифуги освобождают место на рабочем столе, но требуют не менее одного квадратного метра площади пола лаборатории. Они являются хорошим выбором для высокоскоростных протоколов или протоколов большой емкости. Среди напольных центрифуг можно выбрать ультрацентрифуги, сверхскоростные центрифуги и низкоскоростные центрифуги. Ультрацентрифуга — это устройство для исключительно высокой скорости. Эти центрифуги с охлаждением имеют вакуумированную камеру, обеспечивающую скорость вращения до 150 000 об/мин. Перегрузка составляет от 300 000 до 1 000 000 × g. Необходимы специальные сосуды, которые помещаются внутрь ротора или прикрепляются к специальному ротору. Когда требуется перегрузка от 40 000 до 60 000 × g, следует использовать сверхскоростные напольные центрифуги. Низкоскоростные напольные устройства обычно используются для таких приложений, как клеточные культуры или кровь с максимальной перегрузкой менее 10 000 rcf.

Настольные центрифуги

Настольные центрифуги доступны в различных размерах:

• Микроцентрифуги

Микроцентрифуги оптимизированы для пробирок небольшого объема, имеют небольшую площадь основания и обеспечивают ускорение от 14 000 до 30 000 × g для 48 микропробирок. Некоторые устройства можно использовать даже для нескольких конических пробирок объемом 15 мл или 50 мл или для 2 планшетов формата SBS.