电动离心机

一、离心力概述

离心力（Centrifugal Force）是物体在旋转参考系中所感受到的惯性力，指向远离旋转中心的径向外侧。在电动离心机中，离心力是驱动样品按密度差分层沉降的根本动力。理解和准确表示离心力的单位，是保证实验条件可控、结果可靠的前提。

根据国际单位制（SI），力的单位为牛顿（Newton, N），符号为 N。1 N 定义为使质量为 1 千克的物体产生 1 米/秒²加速度所需的力，表达式为

kg⋅m/s21\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m/s}^2

在电动离心机的上下文中，若要直接以物理量计算离心力，则应使用牛顿作为单位。

实验室常用的离心力指标是相对离心力（Relative Centrifugal Force, RCF），亦称“倍重力加速度”。其单位表示为“×g”或“g”，其中 g 为标准重力加速度（约 9.80665 m/s²）。RCF 定义为样品所受离心加速度与地球重力加速度之比，即

RCF=F离心/mg=a离心g\text{RCF} = \frac{F_\mathrm{离心}/m}{g} = \frac{a_\mathrm{离心}}{g}

因此，RCF 无量纲，直接以倍数形式表达，如“10000 × g”表示离心力为地球重力加速度的 10000 倍。

电动离心机面板通常显示转速（Revolutions Per Minute, RPM）。要将 RPM 换算为 RCF，可用以下经验公式：

RCF=1.118×10−5×r×(RPM)2\text{RCF} = 1.118\times10^{-5} \times r \times (\text{RPM})^2

其中， $r$ 为转子半径（cm），RPM 为每分钟转数。由此可知，离心力随转速平方增长，同时与转子半径成正比。用户可借助此公式在不同转速和转子之间快速校正实际离心条件。

假设某离心机转子半径为 10 cm，转速设定 5000 RPM，则计算离心加速度：

首先计算 RCF：
$RCF=1.118×10−5×10×50002≈2795×g\text{RCF} = 1.118\times10^{-5} \times 10 \times 5000^2 \approx 2795 \times g$
实际离心力大小（牛顿）为：
$\times a = m \times (2795 \times 9.80665\,\mathrm{m/s}^2)$
对于 1 g 样品（1 g ≈ 0.001 kg），离心力约为
$\approx 0.001 \times 27410\,\mathrm{m/s}^2 \approx 27.4\,\mathrm{N}$

该示例将无量纲 RCF 转换为实际牛顿值，帮助用户直观理解离心力大小。

现代电动离心机控制面板通常具有双重显示：RPM 与 RCF。在设置时，可在面板上直接输入所需 RCF，仪器自动计算并反馈相应 RPM。此功能避免用户手动计算，提高使用便捷性与精度。一些高端型号还支持预设多组离心程序，以 RCF 为主参量。

在设计实验方案时，通过合理选择离心力单位，可实现：

超速离心机可达到 100,000 × g 以上，此时转子所承受的径向压力可达数千牛顿甚至更高。设备设计需严格依据材料力学模型，将转子失效寿命、安全系数和疲劳极限纳入考虑。研发工程师利用牛顿单位对转子进行有限元分析，确保在高加速度环境下无裂纹产生。

伴随智能实验室与物联网发展，离心机将实现更精确的力学监测与数字化校准。仪器内部可集成力传感器，直接测量实时离心力并以牛顿单位输出；同时云端数据库统一存储“×g”数据，形成全球通用的离心力标准，促进多中心协作与设备互操作。

离心力单位既是理论研究的基础，又是实验操作的核心参考。**牛顿（N）与相对离心力（RCF，×g）**两种单位各有侧重：前者适用于机械与材料分析，后者方便实验者设置与复现。通过准确换算与标准化标注，能够确保电动离心机在不同领域的高效、安全与可重复运行。