拉哨离心机

◆上海市育才中学 傅哲源

图/图虫创意

离心机是利用离心力使需要分离的物料得以加速分离的机器，广泛应用于医学、环境、食品、农业等学科。因其价格贵、体积大，需要电能驱动，一般只在实验室中使用。但很多时候人们也需要进行现场检测和判断，如疫区病原物的快速鉴定、土壤和水质资源的实时监控、野外调查等。

学习高中物理时，我了解到圆周运动可以产生离心效果，在半径相同的条件下，转速越快，离心力越大。可否基于此，利用常见的物品制备一台无需电源、操作简单、廉价的离心机呢？

小时候，我玩过一种可做圆周运动的玩具——拉哨，它的工作原理是：双手有节奏地拉紧细绳，细绳形成超螺旋，转盘利用超螺旋产生巨大的转速，并伴有哨声。通过查找国内外文献我发现，目前只有斯坦福大学的课题组利用纸质拉哨对毛细管中的血液进行离心。不过这种纸质离心机除分离精度不够高外，还存在单次离心的血样量太少、纸质材料在拉动过程中易损坏等缺点。

因此，我想设计一种改良的拉哨，在无电环境下，对常规容量的现场样本进行实时离心。

一、研究方案

该装置包括含拉绳、手柄和2 个穿线孔的圆盘齿轮转盘。由于常规实验室样本的检测容量≤1.5 mL，因此以1.5 mL 离心管作为标准管。考虑到成本、学校仪器设备条件，选用软件Autodesk Inventor 绘制零件草图，用激光切割亚克力材料来制备。

本实验设计了转盘直径、绳长、孔距3 个变量。根据实验结果，针对3个参数进行优化，最终制作出简单、高效，且符合人们使用习惯的离心模型装置。

二、研究过程

（一）变量设计

根据参考文献，从理论上提出绳长、拉力和转动惯量对转速影响较大。转盘直径选取50 mm、60 mm 和70 mm 三种规格，绳长选用550 mm、750 mm 和1000 mm 三种长度，孔距选用15 mm、20 mm 和25 mm 三种规格。

考虑到实验的便利性和实验材料的可获取性，不将盘厚度与密度作为变量。测量人施力的大小较复杂，因而也不考虑。另外，因为绳长远大于手柄长度与孔距，未纳入方程，因而在本实验中设定孔距为变量，手柄长度（8 cm）为定值。

（二）第一代模型

1.设计制作

第一代模型设计为激光切割制备的转盘，可以同时离心4 支1.5 mL 离心管和4 支0.5 mL 离心管，转盘中心设计了不同的孔距。为减轻质量，还做了很多镂空设计。离心时，可将离心管卡在相应的卡槽中，并用金属扎丝固定。

图1 第一代模型设计图及实物

2.实验测试

（1）实验设备与材料

胜利牌高精度激光智能光电非接触式数显转速测速仪（型号: 6234P ），拉线采用5 mm 粗棉线以及5 号凯夫拉风筝线。用PVC 材质管作为手柄。

（2）实验结果

由于设计了多种卡口和镂空，导致转盘结构不够牢固，在测量时易出现盘身断裂的情况。实验中还发现，5 mm粗棉线无法承受较大的拉力：绳长为1000 mm 时强度足够，在550 mm 绳长略大于肩宽的情况下，绳受力增加造成断裂。基于此，我决定选择凯夫拉风筝线作为拉力绳。

（三）第二代模型

1.设计制作

减少0.5 mL 离心管的放置位置和镂空面积，加强转盘的结构强度。分别设计了直径为50 mm、60 mm 和70 mm的转盘，进行测定。

图2 第二代模型设计图及实物

（1）准备器材

朗威光电门传感器（DIS LAB LW-6103）系统，数据采集器，数据线，铁架台，直径12 mm 中空钢管2 根，百洁布，手动喷漆罐（黑色），等等。

（2）改进拉线与手柄

通过实践操作，发现使用钢管手柄最顺手。由于使用单根凯夫拉风筝线会造成转速剧烈下降，且对手柄磨损较大，因而选用4 根凯夫拉风筝线。在钢管与绳子受力处加装百洁布，加大转速，减少磨损。

2.实验测试

（1）转速测定方法的改进

离心管是白色透明的，贴上反光带进行测试时，有可能对识别造成干扰。我在纸板箱里对离心管喷黑色漆，让转速识别更准确。改用DIS Lab 的光电门传感器系统，可以满足实验测量精度的要求。

（2）正交实验的设计

转盘直径、绳长、孔距这3 个变量相互独立，互不干扰，因而选择正交表L9（34）来设计实验。每个因素3 个水平，一共9 次实验。

3.实验数据分析

简化测得的第二代模型在不同变量情况下对应的转速原始数据，结果如表1 所示。

表1 第二代模型在不同变量情况下对应的相对离心力（RCF）简化表

对表1数据进行统计学极差分析，发现在考察的3 个变量中，孔距与转盘直径的改变对RCF 绝对值的影响不大，绳长的改变对RCF 的影响最显著。在此结果上，利用Excel 中回归模块对数据进行进一步分析。

三、结果分析

（一）实际模型与理论模型的冲突以及解决

1.绳长与转速

根据参考文献设计的模型中，绳长与转速成正比。但在实际测试中，绳长越短，转速越高。这可能是人体在绳长小于肩宽的范围内更便于施力，更大的施力抵消了更短的绳长的作用。所以，在实际模型中，应考虑适合人体的最佳施力绳长。

2.其他条件的横向比较

在选择和设计手柄时，考虑来源、使用便利性及耐用性，最终选用钢管加百洁布的手柄组合。

图3 拉哨离心机模型的不同使用方法

在操作方法上我进行了不同的尝试。可以抓住手柄，有节奏地拉紧细绳，使转盘快速转动，拉力越大，转速越大。若将拉绳一端固定在某处，另一端用双手握紧，可以达到省时、省力的效果。

（二）模型离心的效果

将淀粉悬浊液、新鲜鸡血、大肠杆菌培养液作为实验原料，分别模拟、代表土壤或生物研磨液等悬浊液样本、血液或其他生物液体样本，以及微生物菌液样本进行测试。选择最优组合条件（20 mm 孔距、60 mm 转盘直径、550 mm 绳长）进行手动离心，离心时长30 s。

实验结果显示，所有样本在手动离心30 s 后，都取得了较好的效果。其中淀粉悬浊液的离心效果最好，新鲜鸡血的离心效果次之，而大肠杆菌培养液的离心效果相对不明显。在实际操作过程中，为达到理想的分离效果，使用者可通过多次、快速离心的方法达到分离的目的。

图4 淀粉悬浊液离心30 s 后的分离效果图

图5 新鲜鸡血离心30 s 后的分离效果图

图6 大肠杆菌培养液离心30 s 后的分离效果图

四、创新点

（一）成本低

亚克力板结实耐用，成本低。使用激光切割的速度快、质量好，尺寸精度高。只需改变数控程序，就可适用于不同形状的零件切割，进行大批量生产。

（二）易操作

手动操作简单，方式多样，可一次性离心4 个1.5 mL 样本，离心样本量大，可作为一种简单、实用、高效的实时分离替代工具，应用于贫困地区、野外调查、应急救援等场景中。（指导老师：蔡晙晔）

专家点评

傅哲源同学的拉哨离心机，是一项改进性的发明作品。人们去医院检查，医生常常通过对血样的检验，得知我们的身体状况。送去检验的并非直接抽出来的血，而是血浆，血浆就是通过离心机进行分离的。几年前，斯坦福大学的学霸们利用拉哨玩具的原理研制出廉价的纸质离心机，它无需通电，可以帮助落后地区改善医疗状况，但这种拉哨式纸质离心机分离的样本较少。如何突破这一瓶颈？傅哲源同学大胆尝试，从改变拉哨的形状方面下功夫，获得了好的效果。

别小看这一点点的改进，其真正体现了发明人的进取精神和创新实践能力。让我们更看重的是，这个作品完成的过程特别能体现发明人的科研态度与科研潜质——其选题、分析、设计、制作、实验等思路特别清晰明了，这种像科学家工作似的学习方式，正是新时代青少年创新成长所需要的。