Voladizo - Cantilever

Para el elemento de patinaje artístico, consulte Cantilever (patinaje artístico) .
Una imagen esquemática de tres tipos de voladizos. El ejemplo superior tiene una conexión de momento completo (como un mástil de bandera horizontal atornillado al costado de un edificio). El ejemplo del medio se crea mediante una extensión de una viga soportada simple (como la forma en que un trampolín está anclado y se extiende sobre el borde de una piscina). El ejemplo inferior se crea agregando una condición de límite de Robin al elemento de viga, que esencialmente agrega un resorte elástico a la tabla del extremo. Los ejemplos del medio y del fondo pueden considerarse estructuralmente equivalentes, dependiendo de la rigidez efectiva del elemento de resorte y viga.

Un voladizo es un elemento estructural rígido que se extiende horizontalmente y se apoya en un solo extremo. Por lo general, se extiende desde una superficie vertical plana, como una pared, a la que debe fijarse firmemente. Al igual que otros elementos estructurales, un voladizo se puede formar como una viga , placa, armadura o losa .

Cuando se somete a una carga estructural en su extremo lejano sin apoyo, el voladizo lleva la carga al soporte donde aplica un esfuerzo cortante y un momento flector .

La construcción en voladizo permite estructuras en voladizo sin soporte adicional.

En puentes, torres y edificios

Los voladizos se encuentran ampliamente en la construcción, especialmente en puentes y balcones en voladizo (ver ménsula ). En los puentes en voladizo, los voladizos generalmente se construyen en pares, y cada voladizo se usa para soportar un extremo de una sección central. El puente Forth en Escocia es un ejemplo de puente de celosía en voladizo . Un voladizo en un tradicionalmente de madera enmarcada edificio se llama un embarcadero o cámara de carga . En el sur de los Estados Unidos, un tipo de granero histórico es el granero voladizo de construcción de troncos .

Los voladizos temporales se utilizan a menudo en la construcción. La estructura construida parcialmente crea un voladizo, pero la estructura completa no actúa como voladizo. Esto es muy útil cuando no se pueden usar soportes temporales o cimbra para sostener la estructura mientras se está construyendo (por ejemplo, sobre una carretera o río con mucho tráfico, o en un valle profundo). Por lo tanto, algunos puentes de arcos de celosía (ver Puente Navajo ) se construyen desde cada lado como voladizos hasta que los tramos se alcanzan entre sí y luego se separan con gatos para tensarlos en compresión antes de unirse finalmente. Casi todos los puentes atirantados se construyen utilizando voladizos, ya que esta es una de sus principales ventajas. Muchos puentes de vigas de caja se construyen de forma segmentaria o en piezas cortas. Este tipo de construcción se presta bien a la construcción en voladizo equilibrado donde el puente se construye en ambas direcciones desde un solo soporte.

Estas estructuras dependen en gran medida del par y el equilibrio rotacional para su estabilidad.

En una aplicación arquitectónica, Frank Lloyd Wright 's Fallingwater utiliza voladizos para proyectar grandes balcones. La tribuna este del Elland Road Stadium en Leeds fue, cuando se completó, la grada en voladizo más grande del mundo con capacidad para 17.000 espectadores. El techo construido sobre las gradas en Old Trafford usa un voladizo para que ningún soporte bloquee las vistas del campo. El antiguo (ahora demolido) Estadio de Miami tenía un techo similar sobre el área de espectadores. El techo en voladizo más grande de Europa se encuentra en St James 'Park en Newcastle-Upon-Tyne , el estadio local del Newcastle United FC.

Ejemplos menos obvios de voladizos son las torres de radio independientes (verticales) sin cables de sujeción y las chimeneas , que resisten ser derribadas por el viento a través de la acción del voladizo en su base.

Aeronave

El pionero monoplano totalmente metálico Junkers J 1 de 1915, el primer avión en volar con alas en voladizo

El voladizo se usa comúnmente en las alas de los aviones de ala fija . Los primeros aviones tenían estructuras ligeras que estaban reforzadas con cables y puntales . Sin embargo, estos introdujeron una resistencia aerodinámica que limitó el rendimiento. Si bien es más pesado, el voladizo evita este problema y permite que el avión vuele más rápido.

Hugo Junkers fue pionero en el ala en voladizo en 1915. Solo una docena de años después de los vuelos iniciales de los hermanos Wright , Junkers se esforzó por eliminar prácticamente todos los miembros principales de refuerzo externo para disminuir la resistencia de la estructura del avión en vuelo. El resultado de este esfuerzo fue el monoplano pionero totalmente metálico Junkers J 1 de finales de 1915, diseñado desde el principio con paneles de ala en voladizo totalmente metálicos. Aproximadamente un año después del éxito inicial del Junkers J 1, Reinhold Platz de Fokker también logró el éxito con un sesquiplano de alas en voladizo construido en su lugar con materiales de madera, el Fokker V.1 .

de Havilland DH.88 Comet G-ACSS, ganador de la Gran Carrera Aérea de 1934, mostrando su ala en voladizo

En el ala en voladizo, una o más vigas fuertes, llamadas largueros , corren a lo largo de la envergadura del ala. El extremo fijado rígidamente al fuselaje central se conoce como raíz y el extremo lejano como punta. En vuelo, las alas generan sustentación y los largueros llevan esta carga hasta el fuselaje.

Para resistir el esfuerzo cortante horizontal por arrastre o empuje del motor, el ala también debe formar un voladizo rígido en el plano horizontal. Un diseño de un solo larguero generalmente estará equipado con un segundo larguero de arrastre más pequeño más cerca del borde de salida , arriostrado al larguero principal a través de miembros internos adicionales o una piel estresada. El ala también debe resistir las fuerzas de torsión, logradas mediante arriostramientos transversales o endureciendo de otro modo la estructura principal.

Las alas en voladizo requieren largueros mucho más fuertes y pesados ​​de lo que se necesitarían en un diseño reforzado con alambre. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, el arrastre de los arriostramientos aumenta bruscamente, mientras que la estructura del ala debe reforzarse, típicamente aumentando la resistencia de los largueros y el grosor del revestimiento. A velocidades de alrededor de 200 millas por hora (320 km / h), la resistencia del refuerzo se vuelve excesiva y el ala es lo suficientemente fuerte como para convertirse en voladizo sin penalización por exceso de peso. Los aumentos en la potencia del motor a fines de la década de 1920 y principios de la de 1930 aumentaron las velocidades a través de esta zona y, a fines de la década de 1930, las alas en voladizo habían reemplazado casi por completo a las reforzadas. Otros cambios como cabinas cerradas, tren de aterrizaje retráctil, flaps de aterrizaje y construcción de piel estresada impulsaron la revolución del diseño, con el momento crucial ampliamente reconocido como la carrera aérea MacRobertson Inglaterra-Australia de 1934, que fue ganada por un de Havilland DH.88 Cometa .

Actualmente, las alas en voladizo son casi universales y los arriostramientos solo se usan para algunos aviones más lentos donde se prioriza un peso más liviano sobre la velocidad, como en la clase ultraligera .

En sistemas microelectromecánicos

Imagen SEM de un voladizo AFM usado

Las vigas en voladizo son las estructuras más ubicuas en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Un ejemplo temprano de un voladizo MEMS es el Resonistor, un resonador monolítico electromecánico. Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente a partir de silicio (Si), nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) o polímeros . El proceso de fabricación generalmente implica socavar la estructura en voladizo para liberarla , a menudo con una técnica de grabado anisotrópico en húmedo o en seco . Sin transductores en voladizo, la microscopía de fuerza atómica no sería posible. Un gran número de grupos de investigación están intentando desarrollar matrices en voladizo como biosensores para aplicaciones de diagnóstico médico. Los voladizos MEMS también están encontrando aplicación como filtros y resonadores de radiofrecuencia . Los voladizos MEMS se hacen comúnmente como unimorfos o bimorfos .

Dos ecuaciones son clave para comprender el comportamiento de los voladizos MEMS. La primera es la fórmula de Stoney , que relaciona la deflexión del extremo del voladizo δ con la tensión aplicada σ:

donde es la relación de Poisson , es el módulo de Young , es la longitud de la viga y es el espesor del voladizo. Se han desarrollado métodos ópticos y capacitivos muy sensibles para medir los cambios en la deflexión estática de las vigas en voladizo utilizadas en los sensores acoplados en CC.

La segunda es la fórmula que relaciona la constante del resorte en voladizo con las dimensiones del voladizo y las constantes del material:

donde es la fuerza y es el ancho del voladizo. La constante del resorte está relacionada con la frecuencia de resonancia del voladizo mediante la fórmula del oscilador armónico habitual . Un cambio en la fuerza aplicada a un voladizo puede cambiar la frecuencia de resonancia. El cambio de frecuencia se puede medir con una precisión exquisita utilizando técnicas heterodinas y es la base de los sensores en voladizo acoplados en CA.

La principal ventaja de los voladizos MEMS es su bajo costo y facilidad de fabricación en arreglos grandes. El desafío para su aplicación práctica radica en las dependencias cuadradas y cúbicas de las especificaciones de rendimiento en voladizo en las dimensiones. Estas dependencias superlineales significan que los voladizos son bastante sensibles a la variación en los parámetros del proceso, particularmente el espesor, ya que generalmente es difícil de medir con precisión. Sin embargo, se ha demostrado que los espesores de microcantilever se pueden medir con precisión y que esta variación se puede cuantificar. También puede resultar difícil controlar la tensión residual .

Cantilever MEMS en resonancia

Aplicaciones de sensores químicos

Se puede obtener un sensor químico recubriendo una capa receptora de reconocimiento sobre el lado superior de un haz de microcantilever. Una aplicación típica es el inmunosensor basado en una capa de anticuerpo que interactúa selectivamente con un inmunógeno particular e informa sobre su contenido en una muestra. En el modo de funcionamiento estático, la respuesta del sensor está representada por la flexión del haz con respecto a un microcantilever de referencia. Alternativamente, los sensores de microcantilever se pueden operar en el modo dinámico. En este caso, el haz vibra a su frecuencia de resonancia y una variación en este parámetro indica la concentración del analito . Recientemente, se han fabricado microcantilevers que son porosos, lo que permite un área de superficie mucho mayor a la que se unen los analitos , aumentando la sensibilidad al aumentar la relación entre la masa del analito y la masa del dispositivo. La tensión superficial en el microcantilever, debido a la unión del receptor al objetivo, que produce la deflexión del voladizo, puede analizarse utilizando métodos ópticos como la interferometría láser. Zhao et al., También demostraron que al cambiar el protocolo de fijación del receptor en la superficie del microcantilever, la sensibilidad se puede mejorar aún más cuando la tensión superficial generada en el microcantilever se toma como la señal del sensor.

En aplicaciones de almacenamiento

Depósito de almacenamiento

Una estantería en voladizo es un tipo de sistema de almacenamiento de almacén que consta de la columna vertical, la base, los brazos y los arriostramientos horizontales y / o transversales. Estos componentes se fabrican con acero laminado y estructural. Los arriostramientos horizontales y / o transversales se utilizan para conectar dos o más columnas juntas. Se encuentran comúnmente en almacenes de madera , carpinterías y almacenes de suministros de plomería.

Almacenamiento portátil

Una bandeja en voladizo plegable es un tipo de estante apilado que se puede desplegar para permitir un acceso conveniente a los artículos en varios niveles simultáneamente. Los estantes se pueden plegar cuando no están en uso para un almacenamiento más compacto. Debido a estas propiedades, las bandejas voladizas plegables se utilizan a menudo en equipajes y cajas de herramientas .

Ver también

Referencias

Fuentes