拉哨離心機(jī)

◆上海市育才中學(xué) 傅哲源

圖/圖蟲創(chuàng)意

離心機(jī)是利用離心力使需要分離的物料得以加速分離的機(jī)器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)等學(xué)科。因其價(jià)格貴、體積大，需要電能驅(qū)動，一般只在實(shí)驗(yàn)室中使用。但很多時(shí)候人們也需要進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控、野外調(diào)查等。

學(xué)習(xí)高中物理時(shí)，我了解到圓周運(yùn)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诖耍贸Ｒ姷奈锲分苽湟慌_無需電源、操作簡單、廉價(jià)的離心機(jī)呢？

小時(shí)候，我玩過一種可做圓周運(yùn)動的玩具——拉哨，它的工作原理是：雙手有節(jié)奏地拉緊細(xì)繩，細(xì)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(xiàn)我發(fā)現(xiàn)，目前只有斯坦福大學(xué)的課題組利用紙質(zhì)拉哨對毛細(xì)管中的血液進(jìn)行離心。不過這種紙質(zhì)離心機(jī)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(diǎn)。

因此，我想設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)離心。

一、研究方案

該裝置包括含拉繩、手柄和2 個(gè)穿線孔的圓盤齒輪轉(zhuǎn)盤。由于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室樣本的檢測容量≤1.5 mL，因此以1.5 mL 離心管作為標(biāo)準(zhǔn)管?？紤]到成本、學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤直徑、繩長、孔距3 個(gè)變量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終制作出簡單、高效，且符合人們使用習(xí)慣的離心模型裝置。

二、研究過程

（一）變量設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)，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(shí)驗(yàn)的便利性和實(shí)驗(yàn)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?yàn)槔K長遠(yuǎn)大于手柄長度與孔距，未納入方程，因而在本實(shí)驗(yàn)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(jì)制作

第一代模型設(shè)計(jì)為激光切割制備的轉(zhuǎn)盤，可以同時(shí)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(jì)了不同的孔距。為減輕質(zhì)量，還做了很多鏤空設(shè)計(jì)。離心時(shí)，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(jì)圖及實(shí)物

2.實(shí)驗(yàn)測試

（1）實(shí)驗(yàn)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(fēng)箏線。用PVC 材質(zhì)管作為手柄。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于設(shè)計(jì)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(shí)易出現(xiàn)盤身斷裂的情況。實(shí)驗(yàn)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(shí)強(qiáng)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?，我決定選擇凱夫拉風(fēng)箏線作為拉力繩。

（三）第二代模型

1.設(shè)計(jì)制作

減少0.5 mL 離心管的放置位置和鏤空面積，加強(qiáng)轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分別設(shè)計(jì)了直徑為50 mm、60 mm 和70 mm的轉(zhuǎn)盤，進(jìn)行測定。

圖2 第二代模型設(shè)計(jì)圖及實(shí)物

（1）準(zhǔn)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(jìn)拉線與手柄

通過實(shí)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(fēng)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(fēng)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(shí)驗(yàn)測試

（1）轉(zhuǎn)速測定方法的改進(jìn)

離心管是白色透明的，貼上反光帶進(jìn)行測試時(shí)，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(zhǔn)確。改用DIS Lab 的光電門傳感器系統(tǒng)，可以滿足實(shí)驗(yàn)測量精度的要求。

（2）正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤直徑、繩長、孔距這3 個(gè)變量相互獨(dú)立，互不干擾，因而選擇正交表L9（34）來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)因素3 個(gè)水平，一共9 次實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)極差分析，發(fā)現(xiàn)在考察的3 個(gè)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(jìn)行進(jìn)一步分析。

三、結(jié)果分析

（一）實(shí)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(xiàn)設(shè)計(jì)的模型中，繩長與轉(zhuǎn)速成正比。但在實(shí)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(shí)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(jì)手柄時(shí)，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(jī)模型的不同使用方法

在操作方法上我進(jìn)行了不同的嘗試。可以抓住手柄，有節(jié)奏地拉緊細(xì)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(dá)到省時(shí)、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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行手動離心，離心時(shí)長30 s。

實(shí)驗(yàn)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(shí)際操作過程中，為達(dá)到理想的分離效果，使用者可通過多次、快速離心的方法達(dá)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(diǎn)

（一）成本低

亞克力板結(jié)實(shí)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(jìn)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(gè)1.5 mL 樣本，離心樣本量大，可作為一種簡單、實(shí)用、高效的實(shí)時(shí)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(diǎn)評

傅哲源同學(xué)的拉哨離心機(jī)，是一項(xiàng)改進(jìn)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(yàn)，得知我們的身體狀況。送去檢驗(yàn)的并非直接抽出來的血，而是血漿，血漿就是通過離心機(jī)進(jìn)行分離的。幾年前，斯坦福大學(xué)的學(xué)霸們利用拉哨玩具的原理研制出廉價(jià)的紙質(zhì)離心機(jī)，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(jī)分離的樣本較少。如何突破這一瓶頸？傅哲源同學(xué)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(diǎn)點(diǎn)的改進(jìn)，其真正體現(xiàn)了發(fā)明人的進(jìn)取精神和創(chuàng)新實(shí)踐能力。讓我們更看重的是，這個(gè)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(jì)、制作、實(shí)驗(yàn)等思路特別清晰明了，這種像科學(xué)家工作似的學(xué)習(xí)方式，正是新時(shí)代青少年創(chuàng)新成長所需要的。