Центрифуга — любое устройство, в котором действует постоянная центробежная сила, то есть сила, обусловленная вращением. По сути, центрифуга заменяет гравитацию аналогичной, более мощной силой. Каждая центрифуга содержит вращающийся сосуд; существует множество конфигураций, в зависимости от назначения. Например, перфорированный вращающийся барабан в прачечной, который сбрасывает лишнюю воду с одежды, является одним из видов центрифуг. Аналогичный тип используется в промышленности для отделения жидкостей от твердых веществ после дробления.
Согласно первому закону движения, сформулированному сэром Исааком Ньютоном, свободно движущееся тело (например, мяч) стремится двигаться по прямой линии, а если его направить по кривой траектории под действием какой-либо сдерживающей силы (например, привязанной к нему веревки), то оно будет прилагать силу, направленную против направляющей или сдерживающей силы, постоянно стремясь вылететь на прямую по касательной. Известно, что объект, вращающийся по кругу, оказывает силу, направленную в сторону от центра вращения. Эта сила, которая тянет шарик за нитку, является центробежной силой. Кроме того, общепризнанно, что величина этой силы может быть увеличена за счет увеличения угловой скорости вращения, массы объекта или радиуса окружности, по которой движется объект. Возможно, не так широко известен тот факт, что в то время как центробежная сила прямо пропорциональна радиусу и массе, она пропорциональна квадрату угловой скорости. Например, удвоение массы вращающегося объекта увеличит центробежную силу в 2 раза, но удвоение числа оборотов в минуту (об/мин) увеличит центробежную силу в 4 раза (равно 2 умножить на 2); аналогично, увеличение скорости в 10 раз увеличит силу в 100 раз (равно 10 умножить на 10). Центробежная сила выражается основным соотношением F = mν2 / R = 4π2mn2R; F — центробежная сила, m — масса,
Центробежную силу часто сравнивают непосредственно с весом (силой тяжести) объекта, а величину силы указывают как «умноженную на силу тяжести» или «g». С помощью специальных исследовательских приборов удалось получить силу, превышающую 5 000 000 гравитационных усилий, вращая небольшие металлические роторы размером с горошину со скоростью более 1 000 000 оборотов в минуту.
Вращающийся элемент центрифуги обычно приводится в движение вокруг фиксированной оси электродвигателем или воздушной турбиной в некоторых высокоскоростных машинах и называется ротором, чашей или барабаном. Для минимизации вибрации и нагрузки на вал и подшипники необходимо, чтобы нагруженный ротор был хорошо сбалансирован — т.е. чтобы его общая масса была так распределена вокруг оси вращения, чтобы результирующая всех элементарных сил была равна нулю. Если подшипники подходят для высоких скоростей и если имеется достаточная мощность для преодоления сопротивления трения подшипников, единственным ограничением скорости хорошо сбалансированного ротора является прочность на разрыв материала, из которого он изготовлен.
Например, ротор диаметром 15 см (6 дюймов), используемый в некоторых биологических исследованиях и разработанный специально для высоких скоростей, имеет предельную скорость для повседневной работы около 60 000 оборотов в минуту. В роторе данной конструкции максимальная угловая скорость, которую можно получить перед разрывом, в близком приближении обратно пропорциональна диаметру ротора. Таким образом, небольшой ротор, диаметр которого в два раза меньше диаметра более крупного ротора, можно так же безопасно вращать с вдвое большей угловой скоростью и с созданием на периферии вдвое большей центробежной силы.
Наиболее широкое применение центрифуги находят для концентрирования и очистки материалов, находящихся во взвешенном состоянии или растворенных в жидкостях. Взвешенные частицы, более плотные, чем взвешенная жидкость, мигрируют к периферии, а менее плотные — к центру. Скорость миграции зависит от интенсивности центробежного поля, разницы между плотностью частицы и плотностью взвешенной жидкости, вязкости жидкости, размера и формы частицы, а также, в некоторой степени, от концентрации частиц и степени их электрического заряда. Чистая движущая сила, действующая на частицу, равна разнице между действующим на нее центробежным полем и противодействующей плавучестью жидкости. При прочих равных условиях для двух частиц, одна из которых диаметром в 10 раз больше другой, потребуется лишь 1/100 часть среднего центробежного поля, чтобы переместиться на заданное расстояние за заданное время, по сравнению с меньшей.
Из вышеизложенного ясно, что практически полное разделение суспендирующей среды и взвешенных частиц может быть достигнуто, если центрифугирование продолжать до тех пор, пока все частицы не соберутся у внешней стенки вращающегося сосуда или центрифуги. Следует также отметить, что частичное разделение двух групп взвешенных частиц разного размера может быть достигнуто, если центрифугирование продолжать только до тех пор, пока все крупные частицы не будут полностью упакованы в осадок, поскольку в этом случае многие мелкие частицы все еще будут находиться во взвешенном состоянии в жидкости. Если необходимо отделить как крупные, так и мелкие частицы, поверхностную жидкость можно слить, а осадок ресуспендировать в подходящей жидкости и снова подвергнуть центрифугированию для дальнейшего разделения.
Центрифуги можно разделить на три общие категории в зависимости от того, имеет ли вращающаяся чаша центрифуги, в которой находится разделяемый материал, сплошную стенку, перфорированную стенку или некоторую комбинацию этих двух элементов. Кроме того, они могут быть охарактеризованы в зависимости от того, обрабатывается ли материал в непрерывном потоке, в порционном процессе или в комбинации вышеуказанных процессов.
