Консоль — это жесткий конструктивный элемент , простирающийся горизонтально и не имеющий опоры на одном конце . Обычно он простирается от плоской вертикальной поверхности, например стены, к которой он должен быть прочно прикреплен. Как и другие элементы конструкции, консоль может быть выполнена в виде балки , пластины, фермы или плиты .
Когда консоль подвергается структурной нагрузке на дальнем, неподдерживаемом конце, она переносит нагрузку на опору, где прикладывает напряжение сдвига и изгибающий момент . [1]
Консольная конструкция позволяет нависать конструкции без дополнительной опоры.
Консоли широко используются в строительстве, особенно в консольных мостах и балконах (см. поясок ). В консольных мостах консоли обычно строятся парами, при этом каждая консоль используется для поддержки одного конца центральной секции. Мост Форт в Шотландии является примером моста с консольными фермами . Консоль в традиционном деревянном здании называется причалом или форбалкой . На юге США историческим типом сараев являются консольные сарая из бревен .
В строительстве часто используются временные консоли. Частично построенная конструкция создает консоль, но завершенная конструкция не действует как консоль. Это очень полезно, когда временные опоры или опалубки не могут использоваться для поддержки конструкции во время ее строительства (например, над оживленной дорогой или рекой, или в глубокой долине). Поэтому некоторые ферменные арочные мосты (см. Мост Навахо ) строятся с каждой стороны как консольные до тех пор, пока пролеты не достигнут друг друга, а затем раздвигаются, чтобы усилить их сжатие, прежде чем окончательно соединить. Почти все вантовые мосты построены с использованием консолей, поскольку это одно из их главных преимуществ. Многие мосты с коробчатыми балками строятся сегментами или короткими частями. Этот тип конструкции хорошо подходит для сбалансированной консольной конструкции, когда мост строится в обоих направлениях на одной опоре.
Устойчивость этих структур в значительной степени зависит от крутящего момента и вращательного равновесия.
В архитектурном проекте «Fallingwater» Фрэнка Ллойда Райта использовались консоли для проектирования больших балконов. Восточная трибуна стадиона «Элланд Роуд» в Лидсе после завершения строительства была самой большой консольной трибуной в мире [2], вмещавшей 17 000 зрителей. Крыша над трибунами на «Олд Траффорд» имеет консольную конструкцию , поэтому никакие опоры не загораживают вид на поле. У старого (ныне снесенного) стадиона Майами была аналогичная крыша над зрительской зоной. Самая большая консольная крыша в Европе расположена в парке Сент-Джеймс в Ньюкасл-апон-Тайн , домашнем стадионе футбольного клуба «Ньюкасл Юнайтед» [3] [4]
Менее очевидными примерами консолей являются отдельно стоящие (вертикальные) радиовышки без растяжек и дымоходы , которые устойчивы к сносу ветром благодаря консольному действию в их основании.
Консоль обычно используется в крыльях самолетов . Ранние самолеты имели легкие конструкции, подкрепленные тросами и стойками . Однако это привело к аэродинамическому сопротивлению, которое ограничивало производительность. Несмотря на то, что кантилевер тяжелее, он позволяет избежать этой проблемы и позволяет самолету летать быстрее.
Хьюго Юнкерс был пионером свободнонесущего крыла в 1915 году. Всего через десять лет после первых полетов братьев Райт Юнкерс попытался устранить практически все основные внешние элементы жесткости, чтобы уменьшить сопротивление планера в полете. Результатом этих усилий стал новаторский цельнометаллический моноплан Junkers J 1, появившийся в конце 1915 года, с самого начала спроектированный с цельнометаллическими свободнонесущими панелями крыла. Примерно через год после первоначального успеха Junkers J 1 Рейнхольд Платц из Fokker также добился успеха, выпустив полутораплан с свободнонесущим крылом, построенный вместо этого из деревянных материалов, Fokker V.1 .
В свободнонесущем крыле по размаху крыла проходят одна или несколько прочных балок, называемых лонжеронами . Конец, жестко прикрепленный к центральной части фюзеляжа, называется корнем, а дальний конец - кончиком. В полете крылья создают подъемную силу , а лонжероны передают эту нагрузку на фюзеляж.
Чтобы противостоять горизонтальному напряжению сдвига, вызванному сопротивлением или тягой двигателя, крыло также должно образовывать жесткую консоль в горизонтальной плоскости. Конструкция с одним лонжероном обычно оснащается вторым лонжероном меньшего размера ближе к задней кромке , прикрепленным к основному лонжерону с помощью дополнительных внутренних элементов или напряженной обшивки. Крыло также должно противостоять силам скручивания, достигаемым за счет поперечных распорок или иного усиления жесткости основной конструкции.
Консольные крылья требуют гораздо более прочных и тяжелых лонжеронов, чем в противном случае потребовались бы в конструкции с проволочными подкосами. Однако по мере увеличения скорости самолета резко возрастает сопротивление расчалок, а конструкцию крыла необходимо усиливать, как правило, за счет увеличения прочности лонжеронов и толщины обшивки. На скорости около 200 миль в час (320 км/ч) сопротивление распорок становится чрезмерным, а крыло становится достаточно прочным, чтобы его можно было сделать свободнонесущим без потери лишнего веса. Увеличение мощности двигателей в конце 1920-х и начале 1930-х годов привело к увеличению скорости в этой зоне, и к концу 1930-х годов свободнонесущие крылья почти полностью вытеснили подкосные. [5] Другие изменения, такие как закрытые кабины, убирающееся шасси, посадочные закрылки и конструкция с напряженной обшивкой, способствовали революции в дизайне, причем поворотным моментом, широко признанным, стала воздушная гонка МакРобертсон Англия-Австралия 1934 года, которую выиграл самолет де Хэвилленд. DH.88 Комета . [6]
В настоящее время свободнонесущие крылья почти универсальны, а распорки используются только на некоторых более медленных самолетах, где более легкий вес имеет приоритет над скоростью, например, в сверхлегком классе.
Консольные балки являются наиболее распространенными конструкциями в области микроэлектромеханических систем (МЭМС). Ранним примером кантилевера МЭМС является Резонистор, [7] [8] электромеханический монолитный резонатор. Кантилеверы МЭМС обычно изготавливаются из кремния (Si), нитрида кремния (Si 3 N 4 ) или полимеров . Процесс изготовления обычно включает подрезание кантилевера для его освобождения , часто с использованием техники анизотропного влажного или сухого травления. Без кантилеверных преобразователей атомно-силовая микроскопия была бы невозможна. Большое количество исследовательских групп пытаются разработать консольные массивы в качестве биосенсоров для медицинских диагностических приложений. Кантилеверы МЭМС также находят применение в качестве радиочастотных фильтров и резонаторов . Консоли MEMS обычно изготавливаются как униморфы или биморфы .
Два уравнения являются ключом к пониманию поведения кантилеверов MEMS. Первая — это формула Стоуни , которая связывает прогиб конца кантилевера δ с приложенным напряжением σ:
где – коэффициент Пуассона , – модуль Юнга , – длина балки, – толщина кантилевера. Для измерения изменений статического отклонения консольных балок, используемых в датчиках постоянного тока, были разработаны очень чувствительные оптические и емкостные методы.
Вторая представляет собой формулу, связывающую жесткость пружины кантилевера с размерами кантилевера и константами материала:
где – сила, – ширина кантилевера. Постоянная пружины связана с резонансной частотой кантилевера обычной формулой гармонического осциллятора . Изменение силы, приложенной к кантилеверу, может сместить резонансную частоту. Сдвиг частоты может быть измерен с исключительной точностью с использованием гетеродинных методов и является основой кантилеверных датчиков с переменным током.
Основным преимуществом кантилеверов MEMS является их дешевизна и простота изготовления в больших массивах. Проблема их практического применения заключается в квадратной и кубической зависимости рабочих характеристик кантилеверов от размеров. Эти сверхлинейные зависимости означают, что кантилеверы весьма чувствительны к изменению параметров процесса, особенно толщины, поскольку ее, как правило, трудно точно измерить. [9] Однако было показано, что толщину микрокантилевера можно точно измерить и что это изменение можно определить количественно. [10] Контроль остаточного напряжения также может быть трудным.
Химический датчик можно получить, нанеся слой рецептора распознавания на верхнюю сторону микрокантилевера. [12] Типичным применением является иммуносенсор на основе слоя антител , который избирательно взаимодействует с конкретным иммуногеном и сообщает о его содержании в образце. В статическом режиме работы отклик датчика представлен изгибом луча относительно эталонного микрокантилевера. Альтернативно, микрокантилеверные датчики могут работать в динамическом режиме. В этом случае луч вибрирует на своей резонансной частоте, и изменение этого параметра указывает на концентрацию аналита . Недавно были изготовлены пористые микрокантилеверы, обеспечивающие гораздо большую площадь поверхности для связывания аналита , что повышает чувствительность за счет увеличения отношения массы аналита к массе устройства. [13] Поверхностное напряжение на микрокантилевере, вызванное связыванием рецептора с мишенью, которое вызывает отклонение кантилевера, можно проанализировать с помощью оптических методов, таких как лазерная интерферометрия. Чжао и др. также показали, что, изменив протокол прикрепления рецептора к поверхности микрокантилевера, чувствительность можно дополнительно улучшить, когда поверхностное напряжение, создаваемое на микрокантилевере, принимается в качестве сигнала датчика. [14]
Консольная балка — это балка, один конец которой жестко закреплен, а другой свободен.
СМИ, связанные с консольными балками, на Викискладе?
