一、离心力的基本物理概念
1.1 什么是离心力？
**离心力（Centrifugal Force）**是一种在旋转参考系中观测到的“惯性力”，它并不是真正由某种物理相互作用引起的力，而是由于物体在非惯性旋转参考系中运动时，为了维持其线性运动而“感受到”的一种向外推离旋转轴的力。
在离心机中，当样品随转头高速旋转时，它倾向于沿切线方向离开旋转路径，而旋转系统通过提供向心力使其保持圆周运动。与此同时，样品“感受到”的离心力就表现为一种“推向外部”的力，推动其分离。
二、离心力的单位是什么？
2.1 标准国际单位（SI）
离心力的标准单位与力的单位相同，即：
牛顿（N）
这与其他常见的力（如重力、摩擦力）一样，依据牛顿第二定律：
F=m⋅aF = m \cdot aF=m⋅a在离心系统中，加速度不是自由落体加速度（g），而是向心加速度 a=ω2⋅ra = \omega^2 \cdot ra=ω2⋅r，因此：
F离心=m⋅ω2⋅rF_{\text{离心}} = m \cdot \omega^2 \cdot rF离心=m⋅ω2⋅r其中：
F离心F_{\text{离心}}F离心：离心力（牛顿，N）；
mmm：质量（kg）；
ω\omegaω：角速度（rad/s）；
rrr：旋转半径（m）。
所以，离心力的单位是 牛顿（N），即 kg⋅m/s2kg \cdot m/s^2kg⋅m/s2。
2.2 实验室中常用的表达方式：相对离心力（RCF）
在离心机使用中，科研人员更常用的是 相对离心力（Relative Centrifugal Force，简称 RCF），也称为g 倍数，用以表示离心力是重力加速度的多少倍。
RCF=F离心m⋅g=ω2⋅rgRCF = \frac{F_{\text{离心}}}{m \cdot g} = \frac{\omega^2 \cdot r}{g}RCF=m⋅gF离心=gω2⋅r也可转化为转速形式：
RCF=1.118×10−5⋅r⋅n2RCF = 1.118 \times 10^{-5} \cdot r \cdot n^2RCF=1.118×10−5⋅r⋅n2其中：
RCFRCFRCF：相对离心力，单位为 ×g（重力加速度的倍数）；
rrr：离心半径（cm）；
nnn：转速（rpm，转/分钟）；
ggg：重力加速度，约为 9.8m/s29.8 m/s^29.8m/s2。
在很多实验手册和离心程序中，转速（rpm）往往与 RCF 互换使用，但本质上它们是不同的物理量，前者是运动的快慢，后者是施加在样品上的力的大小。
三、为何实验中常用 ×g 而不是牛顿？
3.1 实用性与直观性
实验人员之所以更偏好用 RCF（×g） 而非牛顿，主要是因为它可以与地球表面的重力加速度作对比，更直观：
1×g 表示离心力等于地球表面上的重力；
500×g 表示离心力为重力的 500 倍；
20,000×g 表示一个微粒受到的力是它重量的 20,000 倍。
这种表述方式无需考虑样品质量，只关注加速度（力的“密度”），在样品种类繁多、质量不同的情况下特别方便。
3.2 与实验参数兼容
例如，在 DNA 提取中，实验手册可能会要求：“离心 10 分钟，13,000×g”，只要设置正确的转速与转头半径匹配即可；不必测量样品质量，也不需手动换算为牛顿。
四、影响离心力大小的参数
离心力不是恒定的，它受多个因素影响，主要包括：
4.1 转速（n）
离心力与转速的平方成正比。也就是说，将转速翻倍，离心力增加四倍。高速离心机（例如 20,000 rpm）通常用于分离非常微小或密度差异小的颗粒。
4.2 半径（r）
离心力也与旋转半径成正比。使用较大的离心转头或使用靠近外缘的样品管位置，都会增加作用在样品上的离心力。
4.3 样品密度与形状
虽然这不影响力的“单位”，但它决定了颗粒在离心场中沉降的速率。相同的离心力下，密度差越大、粒径越大，分离效果越快。
五、电动离心机中离心力的使用场景与单位应用
5.1 在生物医药领域
在血液分析、细胞分离、DNA 提取等过程中，常需要精准控制离心力的大小。例如：
血液离心：通常需要 1,000×g～3,000×g；
细胞沉淀：约 500×g～1,500×g；
病毒或质粒提取：约 15,000×g～20,000×g。
在这些场景中，离心机控制面板会显示或设定 RCF（×g），而不是牛顿数值。
5.2 在化工和环保领域
用于固液分离、污泥脱水、油水分层等工程操作时，通常更关注总输出力和效率，但仍以转速和转头直径（影响半径）来间接调节离心力大小。此时工程师可能会关注实际的牛顿值，但更多时候仍以 RCF 为参考标准。
六、如何将转速（rpm）换算为 RCF？
许多离心机用户并不直接理解 rpm 和 ×g 的关系，以下是常用的换算方法：
RCF=1.118×10−5⋅r⋅n2RCF = 1.118 \times 10^{-5} \cdot r \cdot n^2RCF=1.118×10−5⋅r⋅n2其中：
RCFRCFRCF 为相对离心力（×g）；
rrr 为半径（单位 cm）；
nnn 为转速（rpm）。
换算示例：设转速为 12,000 rpm，半径为 8 cm：
RCF=1.118×10−5×8×(12000)2≈12,870×gRCF = 1.118 \times 10^{-5} \times 8 \times (12000)^2 \approx 12,870×gRCF=1.118×10−5×8×(12000)2≈12,870×g因此，如果实验要求 13,000×g，用户可设定在此转速附近调整，或者通过更换半径略大的转头。
七、小结与实践建议
7.1 结论回顾
| 名称 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|
| 离心力 | 牛顿（N） | 力的国际标准单位 |
| 相对离心力（RCF） | 倍数（×g） | 离心力与地球重力加速度之比，更常用于实验 |
| 重力加速度 | 9.8m/s29.8 m/s^29.8m/s2 | 地球上的参考加速度 |
7.2 实验与设备操作建议
不要混淆 rpm 与 ×g：二者之间有数学关系，但本质不同。转速快不一定等于高离心力，半径也很关键。
优先使用 RCF 表达离心要求：特别是在不同型号离心机间切换时，RCF 更具通用性。
选购带 RCF 显示的离心机：现代智能离心机多提供 rpm 与 RCF 双向转换功能，更便于精准控制。
避免“越快越好”的误区：不是所有实验都适合高速离心。细胞、蛋白等脆弱样品应选择低 RCF 以防破坏。
定期校准转头半径与 RPM 显示系统：确保所设 RCF 值与实际一致。
八、结语
“离心力的单位是什么”看似是一个简单的物理问题，实则揭示了电动离心机核心运行原理的本质。在实验和工业实践中，牛顿（N） 是力的物理单位，但更常用的是 相对离心力（RCF，×g），这使实验控制更加方便直观。掌握离心力的计算和表达方式，不仅有助于提高分离效率，还能在各种应用中确保样品的安全性和实验的成功率。通过科学合理地控制转速和半径，离心力作为一种“看不见”的强大物理工具，将持续在现代科技发展中发挥不可替代的作用。
