200px|right|thumb|Centrífuga manual As chamadas centrífugas são aparelhos construídos a fim de permitirem a separação de substâncias que possuam densidades diferentes em uma mistura via decantação. É utilizada, a exemplo, na separação dos elementos sanguíneos.Centrífuga - CAPÍTULO 7 publicado pela "Organización Panamericana de la Salud" Tipos de centrífugas Existem diferentes tipos de centrífugas, sendo algumas para propósitos muito específicos, como as de separação de isótopos. As centrífugas variam em tamanho e velocidade, e o uso de cada uma depende da quantidade e dos tipos de substâncias a serem separadas. Podem ser divididas em centrífugas industriais e laboratoriaisLaboratory Apparatus and Chemicals - Catalog 4, The Will Corporation: Rochester, 1928, p. 116-128 e 215-220Modern Laboratory Appliances, Fischer Scientific Company: Nova Iorque e Pittsburgh, 1942, p. 189-218 e 450-460..
Basicamente, as centrífugas contêm dois componentes essenciais: motor Rotor (em que a amostra é colocada por centrifugação). Existem dois tipos de rotores: Fixo. Os tubos que ficam em um ângulo fixo em relação ao eixo de rotação. Eles são usados para grandes volumes. Inclinado. Os tubos são pendurados no interior das caixas ligado ao veio do rotor. Eles giram quando o movimento rotativo. Eles são usados para pequenos volumes e para a separação de partículas do coeficiente de sedimentação igual ou quase igual. O mecanismo de rotação é colocado dentro de um recipiente, de cerca de 4 ° C. Se a câmara para rodar devido ao atrito com o ar, a temperatura da amostra pode ser aumentada desnaturado.
Numa centrifugadora, as massas das amostras devem ser compensadas uns as outras. Caso contrário, podem "explodir". Para que isso não aconteça quase todas estas máquinas param se as massas não são compensadas.
Centrifugadora de papel A centrífuga é uma ferramenta essencial para hospitais e laboratórios em todo o mundo. O problema é que as centrífugas são caras, volumosas e requerem eletricidade. Em regiões pobres onde as doenças tropicais florescem, esses instrumentos podem ser difíceis de obter, limitando assim a capacidade dos trabalhadores de saúde do ponto de atendimento de fazer seu trabalhoThis Human-Powered Paper Centrifuge Is Pure Genius por George Dvorsky (2017). A centrifugadora de papel, de baixo custo (menos de um real), leve (2 g) e alimentada por energia humana foi concebida com base num modelo teórico inspirado na mecânica fundamental de um antigo brinquedo, "Zunca-zunca"Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge por M. Saad Bhamla, Brandon Benson, Chew Chai, Georgios Katsikis, Aanchal Johri & Manu Prakash, publicado em "Nature Biomedical Engineering" 0009 doi:10.1038/s41551-016-0009 (2017). Em 2017, dois pesquisadores da Stanford criaram a centrífuga de papel que pode revolucionar como infecções como malária e HIV são detectadas nos países em desenvolvimentoThis low-cost paper centrifuge may one day save countless lives Used to detect various blood infections, the 'paperfuge' can be made for less than 20 cents. por Michael D'Estries, publicado em Nature (2017).
História Em meados do século XVIII a Inglaterra, recém-industrializada, importava grandes quantidades de queijo e leite. Os fazendeiros americanos, em face da oportunidade, foram em busca de meios de aumentar a sua produção de modo a atender a esse mercadoDickey, G. D.; Bryden, C. L.; Theory and Preactice of Filtration, Reinhold Publising Co.: Nova Iorque, 1946. O processo usado até então para desnatar leite, baseado na decantação, era lento e obsoleto, pois o leite fresco era deixado em repouso, por até 24 h, até que a nata depositasse na superfície para depois ser retirada.
Em 1864, o alemão Antonin Prandtl (1842-1909), desenvolveu o primeiro separador mecânico que usava a força centrífuga. Era um equipamento rústico no qual baldes eram presos a hastes conectadas a um rotor de operação manual. Após um tempo o leite desnatado se depositava no fundo do balde e a nata estava na superfície. A maquina era então parada e a nata removidaBarn, J. W.; Wigle, A. E.; J. Ind. Eng. Chem. 1914, 6, 672..
Em 1879, Karl Gustaf Patrik de Laval (1845-1913), engenheiro mecânico sueco, patenteou um sistema funcional para essa separação que operasse de forma continua, no qual o separador poderia ser esvaziado e limpo durante a operaçãoSmil V.; Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867-1914 and Their Lasting Impact, The Oxford University Press: Oxford, 2005, p. 62. Tratava-se de um sistema precursor do sistema de centrifugação do tipo cesta. Dez anos depois, o alemão Clemens von Becholsheim (1852-1930) introduziu melhorias para o separador de Laval, os chamadas "pratos alfa". Esse sistema dividia o leite em finas camadas, o que aumentava a eficiência da separação
Desde o final do século XIX, quando da fabricação dos primeiros modelos, os fabricantes promoveram diversas melhorias nas centrífugas. Essas melhorias abrangem os materiais utilizados na fabricação, o sistema de engrenagem, o aumento da segurança operacional, a aparência e os materiais utilizados no acabamentoLaboratory Apparatus and Chemicals - Catalog 4, The Will Corporation: Rochester, 1928, p. 116-128 e 215-220.SEPARAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO: CENTRÍFUGAS E PAPÉIS DE FILTRO por Alexander Rangel Bastosa e Júlio Carlos Afonsob, em "Quím. Nova vol.38 no.5 - June 2015"
Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento das centrífugas baseia-se na forma com a qual a força centrípeta necessária depende de grandezas como a massa, a velocidade tangencial, a velocidade angular e o raio da trajetória associados à partícula no movimento circular em consideração:
Nesta expressão m corresponde à massa do objeto, v à velocidade tangencial de tal objeto, r ao raio da trajetória e refere-se à velocidade angular do objeto em consideração.
Nas centrífugas, encontrando-se os componentes da mistura todos confinados ao recipiente, é notória a condição de que todos deverão, no equilíbrio dinâmico à velocidade máxima, descrever movimentos circulares dotados de mesma velocidade angular . Todos completam uma volta, descrevendo por tal um arco de 360º = radianos, em um mesmo intervalo de tempo - em um mesmo período T.
Em rais condições, a força centrípeta requerida em um dado elemento de volume no meio do fluido deve ser provida pela resultante de forças normais oriundas da interação deste elemento com sua vizinhança. Tal resultante de forças depende em sentido radial da interação deste elemento de volume com o elemento que descreve uma trajetória de raio maior que o raio de sua própria trajetória, elemento último que lhe serve de apoio, e com o elemento de volume em lado oposto, que descreve trajetória com raio ligeiramente menor e para o qual o elemento de volume em questão fornece apoio. Devendo a força resultante destas duas interações - a força centrípeta no elemento central - apontar na direção do elemento vizinho cuja trajetória tem menor raio, ou seja, para o centro da curva, é notório que a interação entre o elemento central e o elemento vizinho mais ao centro deve ser menor do que a interação entre o elemento central e o seu vizinho em trajetória de maior raio. Elementos de volume mais internos têm à sua disposição forças de apoio e por tal também forças centrípetas disponíveis máximas menores do que as forças de apoio disponibilizadas aos seus conterrâneos que encontrem-se em trajetórias de maior raio, o que traduz-se fisicamente pela afirmação de que as pressões em pontos no interior do fluido mais próximos ao fundo do recipiente são maiores do que as pressões em pontos no interior do líquido juntos à superfície deste. Seguindo-se a mesma linha de raciocínio verifica-se que tanto maior será esta diferença de pressão quanto maior for a força centrípeta necessária a cada elemento de volume em consideração. Em linguagem mais específica, visto que para um mesmo raio a força centrípeta aumenta em proporção quadrática com a velocidade angular, consideravelmente maior será o gradiente de pressão quanto maior for a velocidade angular da centrífuga em questão. Como a força centrípeta necessária também depende da massa encerrada no elemento de volume - aumentando de forma diretamente proporcional a esta - tanto maior será o gradiente de pressão quanto maior for a densidade do elemento de volume em consideração.
A maior das forças de interação entre um elemento e sua vizinhança ocorre pois no elemento diretamente em contato com o vidro no fundo do recipiente, e a força que este aplica ao elemento situado em vizinhança radialmente oposta deve ser menor do que o apoio que este recebe do vidro por uma parcela igual à força centrípeta necessária ao seu próprio movimento circular. Tal raciocínio estende-se de forma apropriada a todos os elementos de volume radialmente alinhados de forma que a pressão é tanto maior quanto maior a profundidade no fluido. Matematicamente o raciocínio apresentado pode ser resumido via expressão:
onde representa a densidade do elemento de volume , "a" representa a aceleração requisitada à manutenção de sua posição radial - a aceleração centrípeta no caso - e "dr" representa a espessura radial deste elemento de volume. Esta expressão é em muito similar equação fundamental da hidrostática estabelecida mas análise de variações de pressão com a profundidade em fluidos sob a ação da gravidade, expressão cujo mecanismo de dedução mostra-se em muito parecido ao apresentado. A análise dos elementos de volume à situação gravitacional fornece por resultado:
onde g é a aceleração da gravidade e dh o diferencial na altura, ou seja, a altura do elemento de volume "dv" em consideração medida de forma paralela à direção estabelecida pela gravidade. A situação é simplificada no caso hidráulico dado que a densidade da água pode ser considerada praticamente constante durante uma ampla faixa de pressões, o que nos leva à expressão para fluidos homogêneos incompressíveis:
muito comum nos cursos de hidrostática em nível secundárioProducción de enzimas microbianas - Centrifugación por Sergio Huerta Ochoa, publicado pelo "Departamento de Biotecnología - Universidad Autónoma Metropolitana" (2000).
Contudo, para a análise de fluidos compressíveis como o ar atmosférico ou de misturas fluidas de substâncias heterogêneas "incompressíveis" contudo com densidades distintas - caso último o caso geral aqui em interesse - a integral não se mostra tão simples visto que a própria densidade a considerar-se dependerá da profundidade no fluido, sendo esta distribuição de densidade no equilíbrio o ponto de interesse no problema aqui em consideraçãoBiofísica II – FFCLRP – USP – Aula 1 por Antônio Roque, publicado pelo "Laboratório de Sistemas Neurais da USP" (2015).
300px|right|thumb|Centrífuga profissional