Le centrifughe sono macchine utilizzate in laboratori, strutture mediche e industrie per separare il materiale sospeso dai mezzi con cui sono mescolati. Questo viene fatto ruotando molto rapidamente i contenitori chiusi della miscela attorno a un punto fisso e centrale. La forza centrifuga generata da questo moto spinge il materiale più denso in sospensione contro le pareti del contenitore, separandolo efficacemente dalla soluzione. Questi dispositivi vengono utilizzati per separare i solidi dai mezzi di sospensione fluidi; ad esempio, sono uno strumento medico essenziale per separare il plasma dai campioni di sangue.
Come funzionano
Il principio fondamentale del funzionamento della centrifuga è la forza centrifuga. Se un secchio pieno per metà d’acqua viene fatto girare velocemente in circolo, sopra la testa e poi di nuovo a terra, la forza centrifuga creata dalla rotazione del secchio spinge l’acqua verso il fondo. Questo è ciò che mantiene l’acqua nel secchio anche quando è capovolto.
La maggior parte delle centrifughe sfrutta questa forza in modo simile e consiste in un involucro con un coperchio e un rotore centrale azionato. Il rotore ha una fila di fori attorno alla sua circonferenza in cui sono posti i contenitori, tipicamente provette, di soluzione. Una volta chiuso il coperchio della macchina e accesa la centrifuga, il rotore gira ad alta velocità. Come nel caso dell’esperimento del secchio, la forza centrifuga fa sì che qualsiasi materia nella soluzione più densa del liquido venga forzata contro le pareti esterne dei tubi, separandola dal fluido nel processo.
Una volta terminato il ciclo, la centrifuga viene progressivamente rallentata e fermata per evitare eventuali turbolenze che potrebbero causare il rimescolamento della soluzione. Questo periodo di rallentamento permette anche a tutto il materiale separato di cadere verso il fondo della provetta. Una volta che il rotore si è fermato, è possibile rimuovere la provetta e processare i campioni.
In alcuni casi, una centrifuga può avere uno schermo a un’estremità, che consente il passaggio dei liquidi mentre i solidi rimangono intrappolati all’interno del tubo. Altri possono tenere i tubi ad un angolo fisso o consentire loro di oscillare mentre girano. La posizione della provetta e la velocità di rotazione della centrifuga possono variare a seconda del tipo di soluzione da separare.
Separazione per densità
Qualsiasi numero di materiali sospesi può essere separato da una sospensione in questo modo. Ogni sostanza diversa si separerà in ordine di densità, formando strati distinti sul fondo del tubo quando la macchina è ferma. Questo è noto come principio di sedimentazione. Ad esempio, un campione di sangue messo in una centrifuga per una durata del ciclo adeguata si romperà completamente con cellule del sangue più pesanti che si raccolgono in basso e plasma sanguigno più leggero in alto. Questo è di particolare utilità per identificare tutti i componenti di soluzioni sconosciute.
altri usi
I dispositivi di centrifuga non vengono utilizzati solo nei laboratori; vedono un ampio uso nella gestione delle acque reflue, nell’industria petrolifera e persino nella lavorazione dello zucchero e del latte. In genere, le centrifughe da laboratorio medico e scientifico sono piccoli dispositivi da tavolo. Le macchine industriali utilizzate per separare i fanghi di magnetite dall’acqua di processo in una centrale a carbone, d’altra parte, possono essere molto grandi.
Le centrifughe a gas utilizzate nel processo di arricchimento dell’uranio sono dotate di contenitori appositamente progettati che includono una paletta interna posizionata strategicamente. Quando viene filata, questa paletta raccoglie l’isotopo uranio-235 desiderabile mentre l’isotopo 238 più pesante si raccoglie sulle pareti del contenitore. Questo è, tuttavia, un processo molto più lungo della separazione in sospensione fluida, che spesso richiede diverse migliaia di cicli per essere raggiunto.
Le grandi centrifughe vengono utilizzate anche per esporre le persone a forze estreme in un ambiente controllato. La forza verso l’esterno creata da una macchina così grande può essere utilizzata per simulare le massicce forze gravitazionali (forze G) che un astronauta o un pilota di caccia potrebbero sperimentare quando viaggia a velocità molto elevate. La modellazione geotecnica è un’altra area in cui le centrifughe vengono utilizzate per simulare le sollecitazioni gravitazionali nei prototipi.