物体在液体介质内的运动原理及Stokes定律

任何物体受地球引力作用都会下沉，在沉降过程中，当物体的受力为零时，即做匀速运动，此刻下沉力、摩擦力、浮力达到平衡。物体在重力场的液体介质内，因受到地球引力（向下）、溶液浮力（向上）和溶液黏滞力（向上）的共同作用，会出现不同的运动。重力Fg可以用公式表示为

式中，d为物体直径大小，ρp为物体密度，g为重力加速度。物体在Fg的作用下，不管原始形状如何，都将在重力场的方向加速，但是这种加速度只能持续极短的时间，这是由于物体在做加速运动的同时，受到的摩擦阻力愈来愈大，阻止它在介质中的运动。根据Stokes定律，对于球形物体颗粒在介质中沉降所受到的黏滞力Ff表示为

式中，η为介质的黏度，d为球形颗粒直径，v为颗粒沉降速度。负号表示黏滞力的方向与颗粒的加速度方向相反。

除此之外，由于颗粒是在液体的介质中，还会受到液体浮力的作用。浮力Fb可以表示为

式中，d为颗粒直径，ρm为介质密度，g为重力加速度。负号表示浮力的方向与颗粒的加速度方向相反。

当作用在颗粒上的总力为零时，颗粒将会做匀速运动，也就是达到临界速度，作用力的关系式为(www.xing528.com)

联立以上四式，可以得出方程式

由此可以推出颗粒在介质中的沉降速度v：

此方程为Stokes方程，由此可以判断颗粒与沉降速度之间的关系。

地球表面的重力加速度几乎是一个常数。从理论上讲，只要颗粒的密度大于液体就会发生沉降，但是，对于分离生物材料的样品，如细胞、细胞器、细菌、病毒、蛋白质和核酸等生物大分子来说，由于颗粒非常细，依靠自然沉降是不能达到完全分离的，只有通过离心力的作用才能使它们沉降下来。物体在围绕旋转轴以角速度旋转时，就产生了离心场，物体在离心场中受到离心力的作用。一般情况下，低速离心转速单位以r/min表示，高速离心则用重力加速度g表示。

离心分离是制备生物样品广泛应用的重要手段，如分离活体生物、细胞器、生物大分子、小分子聚合物等，离心方式多样，目前较多使用的有沉淀离心、差速离心、速率区带离心、等密度区带离心、淘汰离心和连续流离心等。