拉哨離心機

◆上海市育才中學 傅哲源

圖/圖蟲創(chuàng)意

離心機是利用離心力使需要分離的物料得以加速分離的機器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)等學科。因其價格貴、體積大，需要電能驅(qū)動，一般只在實驗室中使用。但很多時候人們也需要進行現(xiàn)場檢測和判斷，如疫區(qū)病原物的快速鑒定、土壤和水質(zhì)資源的實時監(jiān)控、野外調(diào)查等。

學習高中物理時，我了解到圓周運動可以產(chǎn)生離心效果，在半徑相同的條件下，轉(zhuǎn)速越快，離心力越大?？煞窕诖?，利用常見的物品制備一臺無需電源、操作簡單、廉價的離心機呢？

小時候，我玩過一種可做圓周運動的玩具——拉哨，它的工作原理是：雙手有節(jié)奏地拉緊細繩，細繩形成超螺旋，轉(zhuǎn)盤利用超螺旋產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)速，并伴有哨聲。通過查找國內(nèi)外文獻我發(fā)現(xiàn)，目前只有斯坦福大學的課題組利用紙質(zhì)拉哨對毛細管中的血液進行離心。不過這種紙質(zhì)離心機除分離精度不夠高外，還存在單次離心的血樣量太少、紙質(zhì)材料在拉動過程中易損壞等缺點。

因此，我想設(shè)計一種改良的拉哨，在無電環(huán)境下，對常規(guī)容量的現(xiàn)場樣本進行實時離心。

一、研究方案

該裝置包括含拉繩、手柄和2 個穿線孔的圓盤齒輪轉(zhuǎn)盤。由于常規(guī)實驗室樣本的檢測容量≤1.5 mL，因此以1.5 mL 離心管作為標準管?？紤]到成本、學校儀器設(shè)備條件，選用軟件Autodesk Inventor 繪制零件草圖，用激光切割亞克力材料來制備。

本實驗設(shè)計了轉(zhuǎn)盤直徑、繩長、孔距3 個變量。根據(jù)實驗結(jié)果，針對3個參數(shù)進行優(yōu)化，最終制作出簡單、高效，且符合人們使用習慣的離心模型裝置。

二、研究過程

（一）變量設(shè)計

根據(jù)參考文獻，從理論上提出繩長、拉力和轉(zhuǎn)動慣量對轉(zhuǎn)速影響較大。轉(zhuǎn)盤直徑選取50 mm、60 mm 和70 mm 三種規(guī)格，繩長選用550 mm、750 mm 和1000 mm 三種長度，孔距選用15 mm、20 mm 和25 mm 三種規(guī)格。

考慮到實驗的便利性和實驗材料的可獲取性，不將盤厚度與密度作為變量。測量人施力的大小較復(fù)雜，因而也不考慮。另外，因為繩長遠大于手柄長度與孔距，未納入方程，因而在本實驗中設(shè)定孔距為變量，手柄長度（8 cm）為定值。

（二）第一代模型

1.設(shè)計制作

第一代模型設(shè)計為激光切割制備的轉(zhuǎn)盤，可以同時離心4 支1.5 mL 離心管和4 支0.5 mL 離心管，轉(zhuǎn)盤中心設(shè)計了不同的孔距。為減輕質(zhì)量，還做了很多鏤空設(shè)計。離心時，可將離心管卡在相應(yīng)的卡槽中，并用金屬扎絲固定。

圖1 第一代模型設(shè)計圖及實物

2.實驗測試

（1）實驗設(shè)備與材料

勝利牌高精度激光智能光電非接觸式數(shù)顯轉(zhuǎn)速測速儀（型號: 6234P ），拉線采用5 mm 粗棉線以及5 號凱夫拉風箏線。用PVC 材質(zhì)管作為手柄。

（2）實驗結(jié)果

由于設(shè)計了多種卡口和鏤空，導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)不夠牢固，在測量時易出現(xiàn)盤身斷裂的情況。實驗中還發(fā)現(xiàn)，5 mm粗棉線無法承受較大的拉力：繩長為1000 mm 時強度足夠，在550 mm 繩長略大于肩寬的情況下，繩受力增加造成斷裂?；诖耍覜Q定選擇凱夫拉風箏線作為拉力繩。

（三）第二代模型

1.設(shè)計制作

減少0.5 mL 離心管的放置位置和鏤空面積，加強轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)強度。分別設(shè)計了直徑為50 mm、60 mm 和70 mm的轉(zhuǎn)盤，進行測定。

圖2 第二代模型設(shè)計圖及實物

（1）準備器材

朗威光電門傳感器（DIS LAB LW-6103）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，鐵架臺，直徑12 mm 中空鋼管2 根，百潔布，手動噴漆罐（黑色），等等。

（2）改進拉線與手柄

通過實踐操作，發(fā)現(xiàn)使用鋼管手柄最順手。由于使用單根凱夫拉風箏線會造成轉(zhuǎn)速劇烈下降，且對手柄磨損較大，因而選用4 根凱夫拉風箏線。在鋼管與繩子受力處加裝百潔布，加大轉(zhuǎn)速，減少磨損。

2.實驗測試

（1）轉(zhuǎn)速測定方法的改進

離心管是白色透明的，貼上反光帶進行測試時，有可能對識別造成干擾。我在紙板箱里對離心管噴黑色漆，讓轉(zhuǎn)速識別更準確。改用DIS Lab 的光電門傳感器系統(tǒng)，可以滿足實驗測量精度的要求。

（2）正交實驗的設(shè)計

轉(zhuǎn)盤直徑、繩長、孔距這3 個變量相互獨立，互不干擾，因而選擇正交表L9（34）來設(shè)計實驗。每個因素3 個水平，一共9 次實驗。

3.實驗數(shù)據(jù)分析

簡化測得的第二代模型在不同變量情況下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速原始數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 第二代模型在不同變量情況下對應(yīng)的相對離心力（RCF）簡化表

對表1數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學極差分析，發(fā)現(xiàn)在考察的3 個變量中，孔距與轉(zhuǎn)盤直徑的改變對RCF 絕對值的影響不大，繩長的改變對RCF 的影響最顯著。在此結(jié)果上，利用Excel 中回歸模塊對數(shù)據(jù)進行進一步分析。

三、結(jié)果分析

（一）實際模型與理論模型的沖突以及解決

1.繩長與轉(zhuǎn)速

根據(jù)參考文獻設(shè)計的模型中，繩長與轉(zhuǎn)速成正比。但在實際測試中，繩長越短，轉(zhuǎn)速越高。這可能是人體在繩長小于肩寬的范圍內(nèi)更便于施力，更大的施力抵消了更短的繩長的作用。所以，在實際模型中，應(yīng)考慮適合人體的最佳施力繩長。

2.其他條件的橫向比較

在選擇和設(shè)計手柄時，考慮來源、使用便利性及耐用性，最終選用鋼管加百潔布的手柄組合。

圖3 拉哨離心機模型的不同使用方法

在操作方法上我進行了不同的嘗試。可以抓住手柄，有節(jié)奏地拉緊細繩，使轉(zhuǎn)盤快速轉(zhuǎn)動，拉力越大，轉(zhuǎn)速越大。若將拉繩一端固定在某處，另一端用雙手握緊，可以達到省時、省力的效果。

（二）模型離心的效果

將淀粉懸濁液、新鮮雞血、大腸桿菌培養(yǎng)液作為實驗原料，分別模擬、代表土壤或生物研磨液等懸濁液樣本、血液或其他生物液體樣本，以及微生物菌液樣本進行測試。選擇最優(yōu)組合條件（20 mm 孔距、60 mm 轉(zhuǎn)盤直徑、550 mm 繩長）進行手動離心，離心時長30 s。

實驗結(jié)果顯示，所有樣本在手動離心30 s 后，都取得了較好的效果。其中淀粉懸濁液的離心效果最好，新鮮雞血的離心效果次之，而大腸桿菌培養(yǎng)液的離心效果相對不明顯。在實際操作過程中，為達到理想的分離效果，使用者可通過多次、快速離心的方法達到分離的目的。

圖4 淀粉懸濁液離心30 s 后的分離效果圖

圖5 新鮮雞血離心30 s 后的分離效果圖

圖6 大腸桿菌培養(yǎng)液離心30 s 后的分離效果圖

四、創(chuàng)新點

（一）成本低

亞克力板結(jié)實耐用，成本低。使用激光切割的速度快、質(zhì)量好，尺寸精度高。只需改變數(shù)控程序，就可適用于不同形狀的零件切割，進行大批量生產(chǎn)。

（二）易操作

手動操作簡單，方式多樣，可一次性離心4 個1.5 mL 樣本，離心樣本量大，可作為一種簡單、實用、高效的實時分離替代工具，應(yīng)用于貧困地區(qū)、野外調(diào)查、應(yīng)急救援等場景中。（指導(dǎo)老師：蔡晙曄）

專家點評

傅哲源同學的拉哨離心機，是一項改進性的發(fā)明作品。人們?nèi)メt(yī)院檢查，醫(yī)生常常通過對血樣的檢驗，得知我們的身體狀況。送去檢驗的并非直接抽出來的血，而是血漿，血漿就是通過離心機進行分離的。幾年前，斯坦福大學的學霸們利用拉哨玩具的原理研制出廉價的紙質(zhì)離心機，它無需通電，可以幫助落后地區(qū)改善醫(yī)療狀況，但這種拉哨式紙質(zhì)離心機分離的樣本較少。如何突破這一瓶頸？傅哲源同學大膽嘗試，從改變拉哨的形狀方面下功夫，獲得了好的效果。

別小看這一點點的改進，其真正體現(xiàn)了發(fā)明人的進取精神和創(chuàng)新實踐能力。讓我們更看重的是，這個作品完成的過程特別能體現(xiàn)發(fā)明人的科研態(tài)度與科研潛質(zhì)——其選題、分析、設(shè)計、制作、實驗等思路特別清晰明了，這種像科學家工作似的學習方式，正是新時代青少年創(chuàng)新成長所需要的。