طارد مركزي

هذا المقال هو عن the scientific device. إذا كنت تريد the Christian camp، انظر Centrifuge (camps). إذا كنت تريد spin direction in quantum mechanics، انظر Spin (physics)#Spin direction.

طارد مركزي مخبري منضدي في معمل. تحتوي الوحدة الدوارة، المسماة الدوار، على ثقوب ثابتة محفورة بزاوية (باتجاه العمودي)، مرئية داخل الحافة الفضية الملساء. يتم وضع أنابيب العينات في هذه الفتحات ويتم تدوير المحرك. نظراً لأن قوة الطرد المركزي في المستوى الأفقي والأنابيب مثبتة بزاوية، يجب أن تتحرك الجسيمات مسافة قصيرة فقط قبل أن تصطدم بجدار الأنبوب ثم تنزلق إلى الأسفل. تحظى الحركات الدورانية هذه بشعبية كبيرة في المختبر للاستخدام الروتيني.

الطارد المركزي Centrifuge هو جهاز يستخدم قوة الطرد المركزي لفصل المكونات المختلفة للسائل. يتم ذلك عن طريق دوران السائل بسرعة عالية داخل وعاء، وبالتالي فصل السوائل ذات الكثافة المختلفة (مثل القشدة من الحليب) أو السوائل عن المواد الصلبة. فهو يعمل عن طريق التسبب في تحرك المواد والجزيئات الأكثر كثافة للخارج في الاتجاه الشعاعي. في الوقت نفسه، تُزاح المواد الأقل كثافة وتُنقل إلى المركز. في الطارد المركزي المخبري يستخدم أنابيب العينات، يتسبب التسارع الشعاعي في استقرار الجزيئات الأكثر كثافة في قاع الأنبوب، بينما ترتفع المواد منخفضة الكثافة إلى الأعلى. يمكن أن يكون الطارد المركزي مرشحاً فعالاً للغاية يفصل الملوثات عن الجسم الرئيسي للسوائل.

تستخدم أجهزة الطرد المركزي (الطاردات المركزية) ذات النطاق الصناعي بشكل شائع في التصنيع ومعالجة النفايات لترسيب المواد الصلبة العالقة، أو لفصل السوائل غير قابلة للخلط. مثال على ذلك هو فاصل القشدة الموجود في الألبان. أجهزة الطرد المركزي عالية السرعة وأجهزة الطرد المركزي الفائقة قادرة على توفير تسارعات عالية جداً يمكنها فصل الجسيمات الدقيقة وصولاً إلى المقياس النانوي والجزيئات ذات الكتل المختلفة. تُستخدم أجهزة الطرد المركزي الكبيرة لمحاكاة بيئات الجاذبية العالية أو التسارع (على سبيل المثال، تدريب عالي الجاذبية للطيارين التجريبيين). وتُستخدم أجهزة الطرد المركزي متوسطة الحجم في الغسالات وفي بعض حمامات السباحة لسحب المياه من الأقمشة. وتُستخدم أجهزة الطرد المركزي الغازي من أجل فصل النظائر، مثل تخصيب الوقود النووي من أجل النظائر الانشطارية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تاريخ

اخترع المهندس العسكري الإنجليزي بنجامن روبنز (1707-1751) جهازاً لذراع دوارة لتحديد السحب. في عام 1864، اقترح أنتونن برانتل فكرة جهاز طرد مركزي لمنتجات الألبان لفصل الكريمة عن الحليب. تم تطبيق الفكرة لاحقاً من قبل شقيقه، ألكسندر برانتل، الذي أجرى تحسينات على تصميم أخيه، وعرض آلة لاستخراج دهن الزبد عام 1875.

 الأنواع

غالباً ما يتم فصل الدم الكامل، باستخدامطارد مركزي، إلى مكونات للتخزين والنقل

يمكن وصف الطار المركزي بأنه آلة ذات إناء تدور بسرعة تطبق قوة الطرد المركزي على محتوياتها. هناك أنواع متعددة من الطاردات المركزية، والتي يمكن تصنيفها حسب الاستخدام المقصود أو تصميم الدوار:

الأنواع حسب تصميم الدوار:

• صُمّمت الطاردات المركزية ذات الزاوية الثابتة لحمل إناءات العينات بزاوية ثابتة بالنسبة للمحور المركزي.
• تحتوي الطاردات المركزية ذات الرأس المتأرجح (أو الوعاء المتأرجح)، على عكس أجهزة الطرد المركزي ذات الزاوية الثابتة، على مفصلة حيث يتم توصيل أوعية العينات بالدوار المركزي. يسمح هذا لجميع العينات بالتأرجح للخارج أثناء تدوير جهاز الطرد المركزي.
• لا تحتوي أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية المستمرة على أوعية عينات فردية وتستخدم للتطبيقات ذات الحجم الكبير.

أنواع حسب الاستخدام المقصود:

• الطاردات المركزية المخبرية، هي أجهزة متعددة الأغراض ذات أغراض عامة ذات قدرات متميزة ولكنها متداخلة. وتشمل هذه أجهزة الطرد المركزي السريرية وأجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة و أجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة.
• طاردات مركزية التحليلية الفائقة المصممة لأداء تحليل الترسيب للجزيئات الكبيرة باستخدام المبادئ التي وضعها تيودور سڤدبرگ.
• تستخدم أجهزة الطرد المركزي هيماكريت لقياس النسبة المئوية لحجم خلايا الدم الحمراء في الدم الكامل.
• طاردات مركزية غازية، بما في ذلك الطاردات المركزية من النوع زيپ، لفصل النظائر في الطور الغازي.

يمكن تصنيف الطاردات المركزية الصناعية وفقاً لنوع فصل الجزء عالي الكثافة عن الجزء منخفض الكثافة.

بشكل عام، هناك نوعان من الطاردات المركزية: الطاردات المركزية للترشيح والترسيب. بالنسبة للترشيح أو ما يسمى بجهاز الطرد المركزي ذي الحاجز، يتم ثقب الأسطوانة وإدخالها بمرشح، على سبيل المثال قماش مرشح أو شبكة سلكية أو حاجز كبيرة. يتدفق المُعلَّق عبر المرشح والأسطوانة ذات الجدار المثقوب من الداخل إلى الخارج. بهذه الطريقة يتم تقييد المادة الصلبة ويمكن إزالتها. يعتمد نوع الإزالة على نوع جهاز الطرد المركزي، على سبيل المثال يدوياً أو بشكل دوري. الأنواع الشائعة هي:

• طارد مركزي ذو حجاب دوار (حاجز الطرد المركزي، حيث يسمح تسريع الطرد المركزي للسائل بالمرور عبر حاجز من نوع ما، والتي لا يمكن للمواد الصلبة أن تمر من خلالها (بسبب أن قياس الحبيبات أكبر من فجوة الغربال أو بسبب التكتل))
• طاردات مركزية دافعة
• طاردات مركزية تجريدية
• طاردات مركزية ذات ترشيح عكسي
• طاردات مركزية ذات تفريغ انزلاقي
• طاردات مركزية بندولية
• طاردات مركزية ترسيبية

في الطاردات المركزية، تكون الأسطوانة عبارة عن جدار صلب (غير مثقوب). يستخدم هذا النوع من الطاردات المركزية لتنقية المُعلَّق. لتسريع عملية الترسيب الطبيعي للتعليق، تستخدم أجهزة الطرد المركزي قوة الطرد المركزي. مع ما يسمى بالطاردات المركزية الفائضة، يُصرَّف المُعلَّق ويُضاف السائل باستمرار. الأنواع الشائعة هي:

• الطاردات المركزية الفاصلة (سائل مستمر); الأنواع الشائعة هي:
  • طاردات مركزية ذات وعاء صلب
  • طاردات مركزية ذات ألواح مخروطية
• طاردات مركزية أنبوبية
• طارد مركزي دورقي، حيث لا يوجد فصل مادي بين الطور الصلب والسائل، بل هو ترسب متسارع بسبب تسارع الطرد المركزي.

على الرغم من أن معظم الطاردات المركزية الحديثة تعمل بالطاقة الكهربائية، فقد طُور متغير يدوي مستوحى من الدوامة للتطبيقات الطبية في البلدان النامية.

تمت مشاركة العديد من تصميمات طاردات مركزية مجانية ومفتوحة المصدر التي يمكن تصنيعها رقمياً. يمكن طباعة تصميمات العتاد مفتوح المصدر للطاردات المركزية التي تعمل بالطاقة اليدوية بشكل كامل لأحجام أكبر من السوائل بسرعة شعاعية تزيد عن 1750 دورة في الدقيقة وأكثر من 50 نيوتن من قوة الطرد المركزي النسبية مقابل حوالي 25 دولاراً. تستخدم تصميمات الأجهزة المفتوحة الأخرى تركيبات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة مع محركات كهربائية غير مكلفة لصنعطاردات مركزية منخفضة التكلفة (على سبيل المثال، Dremelfuge الذي يستخدم أداة الطاقة درمل) أو إيقاف CNC OpenFuge.

 الاستخدامات

عينات موضوعة في طارد مركزي مخبري صغير

 عمليات الفرز المخبرية

المقالة الرئيسية: طارد مركزي مخبري

تُستخدم مجموعة متنوعة من الطاردات المركزية على نطاق المختبر في الكيمياء والبيولوجيا والكيمياء الحيوية والطب السريري لعزل وفصل المُعلَّق والسوائل غير القابلة للامتزاج. وتختلف بشكل كبير من حيث السرعة والسعة والتحكم في درجة الحرارة وخصائص أخرى. غالباً ما تقبل أجهزة الطرد المركزي المختبرية مجموعة من دوارات صفيحية ذات الزاوية الثابتة والمتأرجحة القادرة على حمل أعداد مختلفة من أنابيب الطرد المركزي ومصنفة لسرعات قصوى محددة. تختلف عناصر التحكم من مؤقتات كهربائية بسيطة إلى نماذج قابلة للبرمجة قادرة على التحكم في معدلات التسارع والتباطؤ وسرعات التشغيل وأنظمة درجة الحرارة. تقوم الطاردات المركزية الفائقة بتدوير الدوارات تحت التفريغ، مما يلغي مقاومة الهواء ويمكّن من التحكم الدقيق في درجة الحرارة. أنظمة الدوار النطاقي والتدفق المستمر قادرة على تسليم أحجام عينات كبيرة وضخمة، على التوالي، في أداة على نطاق معمل. تطبيق آخر في المختبرات هو فصل الدم. ينفصل الدم إلى خلايا وبروتينات (كرات الدم الحمراء، وكرات الدم البيضاء، والصفائح الدموية، وما إلى ذلك) ومصل الدم. تحضير DNA هو تطبيق شائع آخر لعلم الوراثة الدوائية والتشخيص السريري. حيث تُنقى عينات الحمض النووي ويُحضّر الحمض النووي للفصل عن طريق إضافة مخازن مؤقتة ثم طرده بالطرد المركزي لفترة معينة من الوقت. تُزال بعد ذلك مخلفات الدم وإضافة محلول آخر ولفه داخل جهاز الطرد المركزي مرة أخرى. بمجرد إزالة فضلات الدم وإضافة المخزن المؤقت آخر، يمكن تعليق الحبيبات وتبريدها. يمكن بعد ذلك إزالة البروتينات ويمكن طرد الشيء بالكامل مرة أخرى ويمكن عزل الحمض النووي تماماً. تُستخدم أجهزة الطاردات المركزية الخلوية المتخصصة في المعامل الطبية والبيولوجية لتركيز الخلايا للفحص المجهري.

 فصل النظائر

المقالة الرئيسية: طارد مركزي غازي

جيل جديد من أجهزة الطرد المركزي الإيرانية كما شوهدت في يوم الطاقة النووية بإيران في طهران. فضل الصورة: مكتب الرئاسة الإيرانية (وكالة أنباء غرب آسيا)/مسلـَّم إلى رويترز.

طاردات مركزية أخرى، أولها طارد مركزي من النوع زيپ، منفصلة النظائر، وتستخدم هذه الأنواع من الطاردات المركزية في برامج الطاقة النووية والأسلحة النووية.

 الملاحة الجوية والفضائية

المقالة الرئيسية: تدريب عالي الجاذبية

طارد مركزي سعة 20 جراماً في مركز أبحاث ناسا أميس

الطاردات المركزية البشرية هي أجهزة طرد مركزي كبيرة بشكل استثنائي تختبر ردود فعل وتحمل طيارين ورواد الفضاء لتسارع أعلى من تلك التي تم اختبارها في الجاذبية الأرضية.

أول الطاردات المركزية المستخدمة في الأبحاث البشرية استخدمها إيراسموس داروين، جد تشارلز داروين. أُنشئ أول طارد مركزي بشري كبير الحجم مصمم للتدريب على الطيران في ألمانيا في عام 1933.

تشغل القوات الجوية الأمريكية في قاعدة مدينة بروكس، تكساس طارد مركزي بشري أثناء انتظار الانتهاء من الطارد المركزي البشري الجديد قيد الإنشاء في رايت باترسون AFB، أوهايو. يُشغَّل الطارد المركزي في قاعدة مدينة بروكس من قبل مدرسة القوات الجوية الأمريكية لطب الفضاء لغرض تدريب وتقييم الطيارين المقاتلين المحتملين للرحلة العالية الجاذبية في الطائرات المقاتلة التابعة للقوات الجوية.

فقد اقتُرح استخدام طاردات مركزية كبيرة لمحاكاة الشعور بالجاذبية للبعثات الفضائية طويلة الأمد في المستقبل. التعرض لهذا الجاذبية المحاكاة سيمنع أو يقلل نزكلة العظام وضمور العضلات الذي يؤثر على الأفراد المعرضين لفترات طويلة من السقوط الحر.

الطاردات المركزية الغير بشرية

يُستخدم في مركز التكنولوجيا التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، طارد مركزي يبلغ قطره 8 أمتار لتعريض عينات في مجالات علوم الحياة وكذلك العلوم الفيزيائية. بدأ تشغيل الطارد المركزي كبير القطر (LDC)في عام 2007. يمكن تعريض العينات إلى حد أقصى يصل إلى 20 مرة من الجاذبية الأرضية. من خلال أذرعها الأربعة وستة جندول تتأرجح بحرية، من الممكن كشف عينات بمستويات جاذبية مختلفة في نفس الوقت. يمكن تثبيت الجندول في ثمانية مواضع مختلفة. اعتماداً على مواقعهم يمكن للمرء على سبيل المثال قم بإجراء تجربة عند 5 و10 غرام في نفس الجولة. يمكن لكل جندول إجراء تجربة بحد أقصى 80 كجم. تراوحت التجارب التي أجريت في هذه المنشأة بين أسماك الزيبرا، وسبائك المعادن، والپلازما، الخلايا، السوائل، الپلاناريا، ذبابة الفاكهة أو النباتات.

 فاصل الطرد المركزي الصناعي

فاصل الطرد المركزي الصناعي هو نظام ترشيح سائل التبريد لفصل الجزيئات عن سائل مثل سائل تبريد الطحن. تستخدم عادة لفصل الجسيمات غير الحديدية مثل السيلكون، والزجاج، والسيراميك، والجرافيت وما إلى ذلك. ولا تتطلب عملية الترشيح أي أجزاء استهلاك مثل أكياس الترشيح، مما يحفظ الأرض من الضرر

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 النمذجة الجيوتقنية للطاردات المركزية

تستخدم النمذجة الجيوتقنية للطاردات المركزية للاختبار الفيزيائي للنماذج التي تشمل التربة. يُطبَّق تسريع الطاردات المركزية على النماذج المصغرة لقياس تسارع الجاذبية وتمكين ضغوط مقياس النموذج الأولي التي يمكن الحصول عليها في نماذج المقياس. تتمثل المشاكل بأساسات البناء، والجسور، والسدود الأرضية، والأنفاق، واستقرار المنحدرات، بما في ذلك التأثيرات مثل التحميل بالانفجار واهتزاز الزلازل.

 تركيب المواد

تُطبَّق ظروف الجاذبية العالية الناتجة عن الطاردات المركزية في الصناعة الكيميائية، والصب، وتركيب المواد. يتأثر الحمل الحراري ونقل الكتلة بشكل كبير بحالة الجاذبية. فقد أفاد الباحثون أن مستوى الجاذبية العالية يمكن أن يؤثر بشكل فعال على تكوين المرحلة وتشكل المنتجات.

 تطبيقات تجارية

طاردات مركزية للسكر لفصل بلورات السكر

• طاردات مركزية قائمة بذاتها لتجفيف الملابس (المغسولة يدوياً) - تتكون عادةً بمخرج للمياه.
• صُممت الغسالات لتكون بمثابة طاردات مركزية للتخلص من المياه الزائدة في أحمال الغسيل.
• تُستخدم الطاردات المركزية في الجذب Mission: SPACE، الموجود في Epcot في عالم والت ديزني، والذي يدفع الدراجين باستخدام مزيج من طارد مركزي ومحاكي الحركة لمحاكاة الشعور بالذهاب إلى الفضاء.
• في ميكانيكا التربة، تستخدم الطاردات المركزية تسريع الطرد المركزي لمطابقة ضغوط التربة في نموذج مصغر لتلك الموجودة في الواقع.
• تُستخدم الطاردات المركزية الصناعية الكبيرة بشكل شائع في معالجة الماء ومياه الصرف الصحي لتجفيف الحمأة. غالباً ما يُطلق على المنتج الجاف الناتج اسم كعكة، ويطلق على الماء الذي يخرج من الطارد المركزي بعد إزالة معظم المواد الصلبة اسم المركز.
• تُستخدم الطاردات المركزية الصناعية الكبيرة أيضاً في صناعة النفط لإزالة المواد الصلبة من سائل الحفر.
• الطاردات المركزية ذات الأقراص المدمجة التي تستخدمها بعض الشركات في صناعة الرمال الزيتية لفصل كميات صغيرة من الماء والمواد الصلبة عن القار.
• تستخدم الطاردات المركزية لفصل القشدة (إزالة الدهن) عن الحليب; انظر Separator (milk).

 وصف رياضي

تحدد پروتوكولات الطرد المركزي عادةً مقدار التسارع الذي سيتم تطبيقه على العينة، بدلاً من تحديد سرعة الدوران مثل الدورات في الدقيقة. هذا التمييز مهم لأن دوّارين بأقطار مختلفة يعملان بنفس سرعة الدوران سيعرضان العينات لتسارعات مختلفة. أثناء حركة دائرية، يكون التسارع هو جداء نصف القطر ومربع السرعة الزاوية $\omega$، والعجلة بالنسبة إلى "g" يُسمى تقليدياً "قوة الطرد المركزي النسبية" (RCF). يُقاس التسارع بمضاعفات "g" (أو × "g")، التسارع القياسي الناتج عن [[جاذبية (فيزياء)

|الجاذبية]] على سطح الأرض، وهي كمية بلا أبعاد من التعبير:

طارد مركزي مخبري يدار يدوياً، من القرن التاسع عشر.

${\text{RCF}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}$

حيث

$\textstyle g$ تسارع الجاذبية الأرضية،

$\textstyle r$ نصف قطر الدوران,

$\omega$ السرعة الزاوية بالتقدير الدائري لكل وحدة زمنية

يمكن كتابة هذه العلاقة باسم

${\text{RCF}}={\frac {10^{-3}r_{\text{mm}}\,\left({\frac {2\pi N_{\text{RPM}}}{60}}\right)^{2}}{g}}$

أو

${\text{RCF}}=1.118(2)\,\times 10^{-6}\,r_{\text{mm}}\,N_{\text{RPM}}^{2}$

حيث

$\textstyle r_{\text{mm}}$ هو نصف قطر الدوران يقاس بالمليمترات (مم)، و

$\textstyle N_{\text{RPM}}$ هي سرعة الدوران تقاس بـ دورة بالدقيقة (RPM).

لتجنب الاضطرار إلى إجراء عملية حسابية رياضية في كل مرة، يمكن للمرء أن يجد الرسوم البيانية لتحويل RCF إلى rpm لدوار بنصف قطر معين. ستشير المسطرة أو أي حافة مستقيمة أخرى مع نصف القطر على مقياس واحد، وRCF المطلوب على مقياس آخر، إلى السرعة الصحيحة في الدقيقة على المقياس الثالث. استناداً إلى تقدير التلقائي للدوار، تحتوي الطاردات المركزية الحديثة على زر للتحويل التلقائي من RCF إلى rpm والعكس صحيح.

 انظر أيضاً

• قوة الطرد المركزي
• طرد مركزي
• Clearing factor
• Honey extractor
• Hydroextractor
• معادلة لام
• Sedimentation coefficient
• ترسيب (جيولوجيا)
• يتضمن قائمة التقنيات-فصل المعادن

 للاستزادة

• Naesgaard et al., Modeling flow liquefaction, its mitigation, and comparison with centrifuge tests

 وصلات خارجية

ابحث عن centrifuge في
قاموس المعرفة.

• RCF Calculator and Nomograph
• Centrifugation Rotor Calculator
• Selection of historical centrifuges in the Virtual Laboratory of the Max Planck Institute for the History of Science