Lab trivia: la centrifuga

Torniamo al classico, ovvero al quiz nella sua forma originaria. Nella foto qui sotto vedete un piccolo dettaglio di un oggetto più grande da mettere in un altro strumento da laboratorio ancora più grande. Non è affatto difficile, anzi direi che visto quanto è comune sarà un gioco da ragazzi per voi espertissimi unico-labbers indovinare di cosa si tratti.

La soluzione dopo il salto...

La centrifuga

E' un dispositivo piuttosto comune nei laboratori perché fondamentalmente semplice, ma allo stesso tempo permette di ottenere importanti risultati, come la separazione di particolati solidi dispersi in una fase liquida. Prima di addentrarci nella spiegazione lasciatemi consegnare la palma del vincitore di questa settima puntata a Daniele (a.k.a. Lelepasticcio) che nonostante generalmente frequenti altri tipi di laboratori (la-scalanet), definiamoli culinari, ha trovato la risposta giusta. Molto vicino anche Davide che però si è fermato ad un passo dal podio.

Torniamo al tecnico... Dicevamo che una centrifuga è qualcosa di molto semplice, quasi tutti ne abbiamo una in casa, nella lavatrice. La sua missione è molto semplice, accelerare gli effetti della gravità in modo da separare elementi che hanno densità differenti. Facciamo un esempio. Prendiamo un bicchiere d'acqua e versiamoci dentro molto lentamente un cucchiaio di sabbia, come quella che troviamo in spiaggia. Di primo acchito l'acqua tenderà ad intorbidirsi e poi vedremo che la nuvola di sabbia andare ad occupare tutto il volume del bicchiere. Solo dopo alcune ore di paziente ed immobile attesa vedremo depositarsi sul fondo del bicchiere uno strato sottile ed uniforme di sabbia. Il motivo è semplice e lo si deve a due signori: Archimede e Stokes. Il primo ci ricorda il principio che porta il suo nome e che ci dice che ogni oggetto immerso in un fluido riceverà una spinta verso l'alto pari al peso del volume del fluido spostato. Stokes ci ricorda la sua legge che riguarda i moti viscosi come quello generato dall'attrito dell'acqua sulla superficie dei granelli di sabbia. Il risultato è che la sedimentazione, ovvero il processo per cui la sabbia si deposita sul fondo, è caratterizzato da una velocità proporzionale alla forza applicata [1], in questo caso la forza di gravità. Se vogliamo fare più in fretta dobbiamo avere una gravità più forte.

Sembra un problema senza soluzione: come possiamo fare ad aumentare la forza di gravità? In effetti senza trasferirsi su un altro pianeta è impossibile, ma possiamo simulare facilmente un aumento del peso. Avete mai sentito i commenti alle gare di formula 1? Mi riferisco a quando i piloti compiono curve ad alta velocità e i cronisti aggiungono che la testa del pilota è sottoposta ad un'accelerazione di 3g. La costante g è proprio l'accelerazione gravitazionale (9.8 m/s2) e nel caso dei piloti è proprio la forza centrifuga l'origine di questa accelerazione che è direttamente proporzionale al quadrato della velocità tangenziale e inversamente proporzionale al raggio di curvatura. Tre volte g è tanto, significa che i piloti sentono la testa pesare tre volte quello che è il suo peso vero e proprio.

La stessa identica cosa avviene per le centrifughe. Riprendiamo il nostro bicchiere d'acqua e trasformiamolo in una provetta a cui abbiamo aggiunto la solita sabbia. Se la infiliamo nel porta campioni ritratto nella foto da indovinare e lo facciamo girare in una centrifuga, la sabbia avrà la stessa sensazione del pilota di formula 1 che affronta una curva senza fine. Facciamo due conticini piccoli piccoli. La centrifuga nella foto riesce a compiere 130 mila giri al minuto (mica male!) e diciamo che il raggio di curvatura è di circa 10 cm, allora è lecito domandarsi a quante volte g è l'accelerazione centrifuga sentita dalle particelle. Tenendo a mente che questa è proporzionale al quadrato della velocità e inversamente proporzionale al raggio si ottiene un valore superiore al milione. Ovvero la sabbia è come se pesasse un milione di volte di più, e cosa ancora più importante la velocità con cui avviene il processo di sedimentazione è un milione di volte più grande!

Chiaramente tutto questo ha poco senso per l'esperimento con la sabbia, ma ci sono dei casi in cui la sedimentazione è talmente lenta che solo con questi sistemi accelerati è possibile ottenere dei risultati. Una possibile estensione è quella di inserire all'interno della provetta un filtro con maglie dalle dimensioni prefissate. La sospensione viene caricata nel filtro e al termine della centrifuga, nel filtro saranno rimaste imbrigliate tutte le particelle più grandi del setaccio, mentre il liquido e le particelle più piccole saranno sul fondo della provetta.

Una raccomandazione, quando si carica la centrifuga si mettono sempre provette in numero pari e di uguale massa; se ne avete una sola da centrifugare allora ne preparate una seconda, la riempite con acqua fino ad arrivare alla stessa massa e la posizionate nel porta-campioni diametralmente opposto. In questo modo la rotazione sarà quasi completamente priva di vibrazioni e di fastidiosi rumori... se solo lo si potesse fare anche per le lavatrici!

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[1] Questa è la grande differenza rispetto ai moti in assenza di attrito, dove è l'accelerazione ad essere proporzionale alla forza. [↵]