一、前言

电动离心机是一种通过高速旋转实现混合液体或悬浮液分层与分离的实验设备。它广泛应用于生物、医学、化工、食品和环保等众多领域。操作过程中，“转速”和“离心力”是最关键的两个参数。尽管二者看似密切相关，但很多用户在实际使用中容易混淆两者的本质区别和计算逻辑。

本篇文章将从离心原理出发，深入分析离心力与转速的数学关系、单位换算、参数设定、实际影响和误区规避，帮助读者系统掌握电动离心机的物理机制。

二、什么是离心力？

在旋转系统中，由于惯性，物体会产生一种向外“甩”的趋势，这种表现为推离旋转中心的力称为离心力。它本质上是惯性力的一种形式。

在电动离心机中，样品随转子旋转，混合液中的不同密度粒子受到不同大小的离心力，从而被“推”向不同位置，实现沉淀或分层。

2.1 离心力计算公式

F=m×ω2×rF = m \times \omega^2 \times rF=m×ω2×r

其中：

• $F$：离心力（N）

• $m$：样品的质量（kg）

• $\omega$：角速度（rad/s）

• $r$：样品距旋转轴心的半径（m）

而角速度 $\omega$ 与转速 $n$ 的关系为：

ω=2πn60\omega = \frac{2\pi n}{60}ω=602πn

结合两式可得出：

F=m×(2πn60)2×rF = m \times \left( \frac{2\pi n}{60} \right)^2 \times rF=m×(602πn)2×r

这说明：离心力与转速的平方成正比，即如果转速加倍，离心力将变为原来的四倍。

三、什么是相对离心力（RCF）？

实验中我们更常用**相对离心力（Relative Centrifugal Force，RCF）**来衡量样品受力强度。RCF 表示样品受到的离心力与地球重力加速度（g = 9.8 m/s²）之比，单位为“×g”。

3.1 RCF 计算公式

RCF=1.118×10−5×r×n2\text{RCF} = 1.118 \times 10^{-5} \times r \times n^2RCF=1.118×10−5×r×n2

其中：

• $r$：离心半径（cm）

• $n$：转速（rpm）

这个公式强调了两个重要点：

1. RCF 与转速的平方成正比；

2. RCF 与半径线性成正比。

四、转速与离心力的关系实例

示例一：

若一台离心机的转子半径为 10 cm，设定转速为 5000 rpm，则：

RCF=1.118×10−5×10×(5000)2=2795 g\text{RCF} = 1.118 \times 10^{-5} \times 10 \times (5000)^2 = 2795 \, gRCF=1.118×10−5×10×(5000)2=2795g

即样品所受的离心力为 2795 倍于重力加速度。

示例二：

若将转速提高至 10,000 rpm：

RCF=1.118×10−5×10×(10000)2=11180 g\text{RCF} = 1.118 \times 10^{-5} \times 10 \times (10000)^2 = 11180 \, gRCF=1.118×10−5×10×(10000)2=11180g

即使半径不变，转速仅翻倍，离心力却提升了四倍。

五、为何理解 RCF 比转速更重要？

转速（rpm）虽然直观，但它无法考虑转子的半径影响。不同型号离心机或不同转子在同样转速下产生的实际离心力可能相差巨大。

因此，对于实验的重复性与标准化控制，应尽量根据 RCF 设定运行参数，而非单纯依赖转速数值。

六、离心操作中的实际影响因素

6.1 样品物理性质

• 密度差：密度越大分离越快；

• 粒径大小：颗粒越大越易沉淀；

• 粘度：高粘样品需更强离心力。

6.2 离心时间

• 离心力确定后，离心时间决定分离是否充分；

• 时间过长反而可能造成细胞破损或蛋白沉淀过度。

6.3 温度控制

高速旋转会产生摩擦热，影响温度敏感样品（如核酸、酶、蛋白），需配合冷却系统或选用冷冻离心机。

七、不同实验的推荐 RCF 范围

八、转速设置的常见误区

1. 盲目追求高转速
   高转速并不等于高分离效率。过高的离心力可能导致样品破裂、结构损伤或细胞死亡。

2. 忽略转子半径
   不同转子的有效半径不同，导致在同一转速下 RCF 不一致。

3. 不检查设定单位
   一些离心机使用 rpm，一些使用 g 值，如果混淆可能导致严重实验误差。

4. 样品不平衡
   再精准的转速设定也无法弥补不均衡造成的震动，甚至损毁设备。

九、转速和离心力的协同设定建议

1. 优先设定 RCF 值：明确实验推荐的 g 值，再计算对应转速；

2. 使用自动换算功能：现代离心机支持 rpm 和 RCF 的自动互换；

3. 确认转子参数：查阅离心机/转子的半径后进行计算；

4. 分阶段优化参数：从较低转速逐步上调，监控分离效果；

5. 结合时间和温度调节：优化整体分离策略，提高样品质量。

十、结语

离心力与转速的关系是离心机操作的基础性物理规律。离心力不仅受转速影响，更受到转子结构、半径、样品性质等多因素调控。在实际工作中，理解“离心力 = 转速² × 半径”的关系，不仅有助于合理设定参数、提高实验重复性，还能有效规避设备损伤和样品损坏的风险。

掌握科学的设定方法、避免操作误区，是使用电动离心机实现高效、安全分离的关键。