Un voladizo es un elemento estructural rígido que se extiende horizontalmente y no tiene soporte en un extremo. Normalmente se extiende desde una superficie vertical plana, como una pared, a la que debe estar firmemente fijado. Al igual que otros elementos estructurales, un voladizo puede tener la forma de una viga , una placa, una cercha o una losa .
Cuando se somete a una carga estructural en su extremo más alejado y sin soporte, el voladizo lleva la carga al soporte donde aplica un esfuerzo cortante y un momento de flexión . [1]
La construcción en voladizo permite realizar estructuras en voladizo sin necesidad de soporte adicional.
Los voladizos se encuentran ampliamente en la construcción, en particular en puentes y balcones voladizos (ver ménsula ). En los puentes voladizos, los voladizos generalmente se construyen en pares, y cada voladizo se usa para sostener un extremo de una sección central. El puente Forth en Escocia es un ejemplo de un puente de celosía voladizo . Un voladizo en un edificio tradicionalmente con estructura de madera se llama embarcadero o antecámara . En el sur de los Estados Unidos, un tipo de granero histórico es el granero voladizo de construcción de troncos .
En la construcción se utilizan a menudo ménsulas temporales. La estructura parcialmente construida crea una ménsula, pero la estructura completada no actúa como ménsula. Esto es muy útil cuando no se pueden utilizar soportes temporales o cimbras para sostener la estructura mientras se está construyendo (por ejemplo, sobre una carretera o un río concurrido, o en un valle profundo). Por lo tanto, algunos puentes de arco de celosía (véase el puente Navajo ) se construyen desde cada lado como ménsulas 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 ménsulas, ya que esta es una de sus principales ventajas. Muchos puentes de vigas cajón se construyen en segmentos o en piezas cortas. Este tipo de construcción se presta bien a la construcción de ménsulas equilibradas, donde el puente se construye en ambas direcciones a partir de un único soporte.
Estas estructuras dependen en gran medida del torque y del equilibrio rotacional para su estabilidad.
En una aplicación arquitectónica, la Casa de la Cascada de Frank Lloyd Wright utilizó voladizos para proyectar grandes balcones. La tribuna este del estadio Elland Road de Leeds fue, cuando se terminó, la tribuna voladiza más grande del mundo [2] con capacidad para 17.000 espectadores. El techo construido sobre las tribunas de Old Trafford utiliza 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 voladizo más grande de Europa se encuentra en St James' Park en Newcastle-Upon-Tyne , el estadio local del Newcastle United FC [3] [4]
Ejemplos menos obvios de voladizos son las torres de radio independientes (verticales) sin cables tensores y las chimeneas , que resisten ser derribadas por el viento mediante la acción de voladizo en su base.
El voladizo se utiliza habitualmente en las alas de los aviones de ala fija . Los primeros aviones tenían estructuras ligeras que se sujetaban con cables y puntales . Sin embargo, estos introducían una resistencia aerodinámica que limitaba el rendimiento. Si bien es más pesado, el voladizo evita este problema y permite que el avión vuele más rápido.
Hugo Junkers fue el pionero de las alas en voladizo en 1915. Tan solo una docena de años después de los primeros vuelos de los hermanos Wright , Junkers se esforzó por eliminar prácticamente todos los elementos de refuerzo externos principales para reducir la resistencia aerodinámica del fuselaje en vuelo. El resultado de este esfuerzo fue el Junkers J 1, un monoplano totalmente metálico pionero 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 con alas en voladizo construido en su lugar con materiales de madera, el Fokker V.1 .
En el ala en voladizo, una o más vigas fuertes, llamadas largueros , recorren la envergadura del ala. El extremo fijado rígidamente al fuselaje central se conoce como raíz y el extremo más alejado como punta. En vuelo, las alas generan sustentación y los largueros llevan esta carga hasta el fuselaje.
Para resistir la tensión de corte horizontal, ya sea por arrastre o por 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 cerca del borde de salida , arriostrado al larguero principal mediante miembros internos adicionales o un revestimiento tensado. El ala también debe resistir fuerzas de torsión, que se logran mediante arriostramiento transversal o mediante otro tipo de refuerzo de la estructura principal.
Las alas en voladizo requieren largueros mucho más fuertes y pesados que los que se necesitarían en un diseño con arriostramiento de alambre. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad del avión, la resistencia del arriostramiento aumenta bruscamente, mientras que la estructura del ala debe reforzarse, generalmente 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 arriostramiento se vuelve excesiva y el ala es lo suficientemente fuerte como para convertirse en un ala en voladizo sin penalización por exceso de peso. Los aumentos en la potencia de los motores a fines de la década de 1920 y principios de la de 1930 aumentaron las velocidades en esta zona y, a fines de la década de 1930, las alas en voladizo habían reemplazado casi por completo a las arriostradas. [5] Otros cambios, como cabinas cerradas, tren de aterrizaje retráctil, flaps de aterrizaje y construcción con piel estresada impulsaron la revolución del diseño, y se reconoce ampliamente que el momento crucial fue la carrera aérea MacRobertson Inglaterra-Australia de 1934, que ganó un de Havilland DH.88 Comet . [6]
En la actualidad, las alas en voladizo son casi universales y los arriostramientos solo se utilizan para algunas aeronaves más lentas en las que se prioriza un peso más ligero sobre la velocidad, como en la clase ultraligera .
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, [7] [8] un resonador monolítico electromecánico. Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente de silicio (Si), nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) o polímeros . El proceso de fabricación generalmente implica socavar la estructura del voladizo para liberarla , a menudo con una técnica de grabado húmedo o seco anisotrópico. 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 de radiofrecuencia y resonadores . Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente como unimorfos o bimorfos .
Dos ecuaciones son fundamentales 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 el coeficiente 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 sensores acoplados a 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 habitual del oscilador armónico . 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 de voladizo acoplados a CA.
La principal ventaja de los voladizos MEMS es su bajo coste y su facilidad de fabricación en grandes conjuntos. El reto para su aplicación práctica reside en las dependencias cuadradas y cúbicas de las especificaciones de rendimiento de los voladizos con respecto a las dimensiones. Estas dependencias superlineales significan que los voladizos son bastante sensibles a la variación de los parámetros del proceso, en particular el espesor, ya que este suele ser difícil de medir con precisión. [9] Sin embargo, se ha demostrado que los espesores de los micro voladizos se pueden medir con precisión y que esta variación se puede cuantificar. [10] El control de la tensión residual también puede ser difícil.
Un sensor químico se puede obtener recubriendo una capa de receptor de reconocimiento sobre el lado superior de una viga de micro voladizo. [12] 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 operación estático, la respuesta del sensor está representada por la flexión del haz con respecto a un micro voladizo de referencia. Alternativamente, los sensores de micro voladizo 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 micro voladizos que son porosos, lo que permite una superficie mucho más grande para que el analito se una, lo que aumenta la sensibilidad al aumentar la relación entre la masa del analito y la masa del dispositivo. [13] La tensión superficial en el micro voladizo, debido a la unión del receptor con el objetivo, que produce la deflexión del voladizo, se puede analizar 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 micro voladizo, la sensibilidad se puede mejorar aún más cuando la tensión superficial generada en el micro voladizo se toma como señal del sensor. [14]
Una viga en voladizo es una viga que tiene un extremo fijado rígidamente y el otro extremo libre.
Medios relacionados con Vigas en voladizo en Wikimedia Commons
