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，廣泛應用于醫(yī)學、環(huán)境、食品、農業(yè)等學科。因其價格貴、體積大，需要電能驅動，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、土壤和水質資源的實時監(jiān)控、野外調查等。

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，轉盤利用超螺旋產(chǎn)生巨大的轉速，并伴有哨聲。通過查找國內外文獻我發(fā)現(xiàn)，目前只有斯坦福大學的課題組利用紙質拉哨對毛細管中的血液進行離心。不過這種紙質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、紙質材料在拉動過程中易損壞等缺點。

因此，我想設計一種改良的拉哨，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。

本實驗設計了轉盤直徑、繩長、孔距3 個變量。根據(jù)實驗結果，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）變量設計

根據(jù)參考文獻，從理論上提出繩長、拉力和轉動慣量對轉速影響較大。轉盤直徑選取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，因而在本實驗中設定孔距為變量，手柄長度（8 cm）為定值。

（二）第一代模型

1.設計制作

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

圖1 第一代模型設計圖及實物

2.實驗測試

（1）實驗設備與材料

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

（2）實驗結果

由于設計了多種卡口和鏤空，導致轉盤結構不夠牢固，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。基于此，我決定選擇凱夫拉風箏線作為拉力繩。

（三）第二代模型

1.設計制作

減少0.5 mL 離心管的放置位置和鏤空面積，加強轉盤的結構強度。分別設計了直徑為50 mm、60 mm 和70 mm的轉盤，進行測定。

圖2 第二代模型設計圖及實物

（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，加大轉速，減少磨損。

2.實驗測試

（1）轉速測定方法的改進

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）正交實驗的設計

轉盤直徑、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的轉速原始數(shù)據(jù)，結果如表1 所示。

表1 第二代模型在不同變量情況下對應的相對離心力（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。在此結果上，利用Excel 中回歸模塊對數(shù)據(jù)進行進一步分析。

三、結果分析

（一）實際模型與理論模型的沖突以及解決

1.繩長與轉速

根據(jù)參考文獻設計的模型中，繩長與轉速成正比。但在實際測試中，繩長越短，轉速越高。這可能是人體在繩長小于肩寬的范圍內更便于施力，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?？梢宰プ∈直泄?jié)奏地拉緊細繩，使轉盤快速轉動，拉力越大，轉速越大。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 轉盤直徑、550 mm 繩長）進行手動離心，離心時長30 s。

實驗結果顯示，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

亞克力板結實耐用，成本低。使用激光切割的速度快、質量好，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，應用于貧困地區(qū)、野外調查、應急救援等場景中。（指導老師：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。人們去醫(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——其選題、分析、設計、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。