Консольный

Балка закреплена только на одном конце

Схематическое изображение трех типов консоли. Верхний пример имеет соединение полного момента (как горизонтальный флагшток, прикрученный к стене здания). Средний пример создан путем расширения простой поддерживаемой балки (например, способом, которым трамплин для прыжков в воду закреплен и выступает за край бассейна). Нижний пример создан путем добавления граничного условия Робина к элементу балки, что по сути добавляет упругую пружину к конечной доске. Верхний и нижний примеры можно считать структурно эквивалентными в зависимости от эффективной жесткости пружины и элемента балки.

Консоль — это жесткий структурный элемент , который простирается горизонтально и не имеет опоры на одном конце. Обычно он простирается от плоской вертикальной поверхности, такой как стена, к которой он должен быть прочно прикреплен. Как и другие структурные элементы, консоль может быть сформирована как балка , пластина, ферма или плита .

При воздействии структурной нагрузки на дальний, неподдерживаемый конец консоли она переносит нагрузку на опору, где она создает касательное напряжение и изгибающий момент . ^[1]

Консольная конструкция позволяет возводить нависающие конструкции без дополнительной поддержки.

В мостах, башнях и зданиях

Консоли широко используются в строительстве, особенно в консольных мостах и ​​балконах (см. консоль ). В консольных мостах консоли обычно строятся парами, причем каждая консоль используется для поддержки одного конца центральной секции. Мост Форт в Шотландии является примером консольного ферменного моста . Консоль в традиционном деревянном каркасном здании называется причалом или форбейем . На юге Соединенных Штатов историческим типом амбара является консольный амбар бревенчатой ​​конструкции .

Временные консоли часто используются в строительстве. Частично построенная конструкция создает консоль, но завершенная конструкция не действует как консоль. Это очень полезно, когда временные опоры или опорные конструкции 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 консоли, пока пролеты не достигнут друг друга, а затем раздвигаются домкратами, чтобы нагрузить их сжатием перед окончательным соединением. Почти все вантовые мосты строятся с использованием консолей, поскольку это одно из их главных преимуществ. Многие мосты с коробчатыми балками строятся сегментарно или короткими частями. Этот тип конструкции хорошо подходит для сбалансированной консольной конструкции, когда мост строится в обоих направлениях от одной опоры.

Устойчивость этих конструкций в значительной степени зависит от крутящего момента и вращательного равновесия.

В архитектурном применении Fallingwater Фрэнка Ллойда Райта использовал консоли для проектирования больших балконов. Восточная трибуна на стадионе Элланд Роуд в Лидсе после завершения была самой большой консольной трибуной в мире ^[2], вмещающей 17 000 зрителей. Крыша , построенная над трибунами на Олд Траффорд, использует консоль, чтобы никакие опоры не закрывали вид на поле. Старый (ныне снесенный) стадион Майами имел похожую крышу над зрительской зоной. Самая большая консольная крыша в Европе находится 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 противостоят сносу ветром за счет консольного действия в их основании.

• 
  Мост Форт-Бридж , консольный мост с фермами
• 
  Этот бетонный мост временно функционирует как набор из двух сбалансированных консолей во время строительства, при этом дополнительные консоли выступают наружу для поддержки опалубки .
• 
  Мост Ховрах в Индии , консольный мост
• 
  Консольный балкон дома над водопадом , Фрэнк Ллойд Райт
• 
  Консольное железнодорожное полотно и ограждение на виадуке Кантон
• 
  Консольный амбар в сельской местности Теннесси
• 
  Консольный амбар в Кейдс-Коув
• 
  Здание с двумя причалами в Кембридже, Англия
• 
  Консоль, встречающаяся в игре « Дженга »
• 
  Консольный фасад башни Riverplace в Джексонвилле, Флорида , авторства Уэлтона Беккета и KBJ Architects
• 
  На этой рентгенограмме зубного моста слева видна консольная коронка.
• 
  Ронан Пойнт : Разрушение конструкции части перекрытий, консольно закрепленных на центральной шахте.

Самолеты

Пионерский цельнометаллический моноплан Junkers J 1 1915 года, первый самолет со свободнонесущим крылом

Консоль обычно используется в крыльях самолетов с фиксированным крылом . Ранние самолеты имели легкие конструкции, которые были укреплены проводами и стойками . Однако они вносили аэродинамическое сопротивление, которое ограничивало производительность. Хотя консоль тяжелее, она избегает этой проблемы и позволяет самолету летать быстрее.

Хуго Юнкерс был пионером свободнонесущего крыла в 1915 году. Всего через дюжину лет после первых полетов братьев Райт Юнкерс попытался устранить практически все основные внешние элементы расчалки, чтобы уменьшить сопротивление планера в полете. Результатом этих усилий стал Junkers J 1 , пионерский цельнометаллический моноплан конца 1915 года, изначально спроектированный с цельнометаллическими свободнонесущими панелями крыла. Примерно через год после первоначального успеха Junkers J 1 Рейнхольд Платц из Fokker также добился успеха с полуторапланом со свободнонесущим крылом, построенным вместо этого из деревянных материалов, Fokker V.1 .

de Havilland DH.88 Comet G-ACSS, победитель Больших воздушных гонок 1934 года , демонстрирует свое свободнонесущее крыло

В консольном крыле одна или несколько прочных балок, называемых лонжеронами , проходят вдоль размаха крыла. Конец, жестко закрепленный на центральном фюзеляже, называется корнем, а дальний конец — кончиком. В полете крылья создают подъемную силу , а лонжероны переносят эту нагрузку на фюзеляж.

Чтобы противостоять горизонтальному сдвиговому напряжению от сопротивления или тяги двигателя, крыло также должно образовывать жесткую консоль в горизонтальной плоскости. Конструкция с одним лонжероном обычно оснащается вторым меньшим лонжероном ближе к задней кромке , прикрепленным к основному лонжерону с помощью дополнительных внутренних элементов или напряженной оболочки. Крыло также должно противостоять скручивающим силам, достигаемым путем поперечного укрепления или иного усиления жесткости основной конструкции.

Свободнонесущие крылья требуют гораздо более прочных и тяжелых лонжеронов, чем это было бы необходимо в конструкции с проволочными связями. Однако по мере увеличения скорости самолета сопротивление связей резко возрастает, в то время как конструкция крыла должна быть усилена, как правило, путем увеличения прочности лонжеронов и толщины обшивки. На скорости около 200 миль в час (320 км/ч) сопротивление связей становится чрезмерным, а крыло достаточно прочным, чтобы его можно было сделать свободнонесущим без избыточного веса. Увеличение мощности двигателя в конце 1920-х и начале 1930-х годов увеличило скорость в этой зоне, и к концу 1930-х годов свободнонесущие крылья почти полностью вытеснили крылья с связями. ^[5] Другие изменения, такие как закрытые кабины, убирающиеся шасси, посадочные закрылки и конструкция с работающей обшивкой, способствовали революции в дизайне, а поворотным моментом, как широко признано, стали воздушные гонки Мак-Робертсона Англия-Австралия 1934 года, в которых победу одержал самолет de Havilland DH.88 Comet . ^[6]

В настоящее время свободнонесущие крылья практически универсальны, а расчалки используются только на некоторых более медленных самолетах, где меньший вес имеет приоритет над скоростью, например, в сверхлегком классе.

Консоль в микроэлектромеханических системах

Изображение сканирующего электронного микроскопа (SEM) использованного кантилевера АСМ

Консольные балки являются наиболее распространенными структурами в области микроэлектромеханических систем (MEMS). Ранним примером MEMS-консольного элемента является резонатор ^{[7] [8],} электромеханический монолитный резонатор. MEMS-консольные элементы обычно изготавливаются из кремния (Si), нитрида кремния (Si ₃ N ₄ ) или полимеров . Процесс изготовления обычно включает в себя подрезание структуры кантилевера для его высвобождения , часто с использованием техники анизотропного влажного или сухого травления. Без консольных преобразователей атомно-силовая микроскопия была бы невозможна. Большое количество исследовательских групп пытаются разработать консольные массивы в качестве биосенсоров для медицинских диагностических приложений. MEMS-консольные элементы также находят применение в качестве радиочастотных фильтров и резонаторов . MEMS-консольные элементы обычно изготавливаются в виде униморфов или биморфов .

Два уравнения являются ключевыми для понимания поведения MEMS-консолей. Первое — это формула Стоуни , которая связывает отклонение конца консоли δ с приложенным напряжением σ:

${\displaystyle \delta ={\frac {3\sigma \left(1-\nu \right)}{E}}{\frac {L^{2}}{t^{2}}}}$

где - коэффициент Пуассона , - модуль Юнга , - длина балки, - толщина кантилевера. Разработаны очень чувствительные оптические и емкостные методы для измерения изменений статического прогиба балок кантилевера, используемых в датчиках постоянного тока. ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle t}$

Вторая формула связывает жесткость пружины кантилевера с размерами кантилевера и материальными константами: ${\displaystyle k}$

${\displaystyle k={\frac {F}{\delta }}={\frac {Ewt^{3}}{4L^{3}}}}$

где — сила, а — ширина кантилевера. Постоянная пружины связана с резонансной частотой кантилевера с помощью обычной формулы гармонического осциллятора . Изменение силы, приложенной к кантилеверу, может сместить резонансную частоту. Сдвиг частоты можно измерить с исключительной точностью с помощью гетеродинных методов, и он является основой датчиков кантилевера, связанных по переменному току. ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \omega _{0}={\sqrt {k/m_{\text{equivalent}}}}}$

Главным преимуществом кантилеверов MEMS является их дешевизна и простота изготовления в больших массивах. Проблема их практического применения заключается в квадратной и кубической зависимости характеристик производительности кантилевера 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 толщина микрокантилевера может быть точно измерена и что это изменение может быть количественно определено. ^[10] Контроль остаточного напряжения также может быть затруднен.

МЭМС-консоль в резонансе ^[11]

Применение химических датчиков

Химический сенсор может быть получен путем нанесения слоя распознающего рецептора на верхнюю сторону балки микрокантилевера. ^[12] Типичным применением является иммуносенсор на основе слоя антител , который селективно взаимодействует с определенным иммуногеном и сообщает о его содержании в образце. В статическом режиме работы отклик сенсора представлен изгибом балки относительно эталонного микрокантилевера. В качестве альтернативы микрокантилеверы могут работать в динамическом режиме. В этом случае балка вибрирует на своей резонансной частоте, и изменение этого параметра указывает на концентрацию аналита . Недавно были изготовлены микрокантилеверы, которые являются пористыми, что позволяет связывать аналит с гораздо большей площадью поверхности , что повышает чувствительность за счет повышения отношения массы аналита к массе устройства. ^[13] Поверхностное напряжение на микрокантилевере из-за связывания 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, можно еще больше улучшить чувствительность, если поверхностное напряжение, создаваемое на микрокантилевере, использовать в качестве сенсорного сигнала. ^[14]

Смотрите также

• Прикладная механика
• Консольные велосипедные тормоза
• Консольная рама велосипеда
• Консольный стул
• Метод кантилевера
• Консольные лестницы
• Арка консольная
• Теория балок Эйлера–Бернулли
• Гранд-Каньон Skywalk
• Сила Кнудсена в контексте микроконсольных стержней
• Ортодонтия
• Статика

Ссылки

1. Hool, George A.; Johnson, Nathan Clarke (1920). "Elements of Structural Theory - Definitions". Handbook of Building Construction (Google Books) . Vol. 1 (1st ed.). New York: McGraw-Hill . p. 2. Retrieved 2008-10-01 . Консольная балка — это балка, один конец которой жестко закреплен, а другой свободен.
2. "GMI Construction выигрывает контракт на проектирование и строительство на сумму 5,5 млн фунтов стерлингов для стадиона Elland Road East Stand футбольного клуба Leeds United". Новости строительства . 6 февраля 1992 г. Получено 24 сентября 2012 г.
3. IStructE The Structural Engineer Volume 77/No 21, 2 ноября 1999 г. Парк Джеймса — вызов реконструкции
4. highbeam.com; The Architects' Journal . Существующие стадионы: St James' Park, Newcastle. 1 июля 2005 г.
5. Стивенс, Джеймс Хей; Форма самолета , Хатчинсон, 1953. С.78 и далее.
6. Дэви, М. Дж. Б.; Аэронавтика – Летательные аппараты тяжелее воздуха , часть I, Исторический обзор, пересмотренное издание, Научный музей/HMSO, декабрь 1949 г., стр. 57.
7. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНОЛИТНЫЙ РЕЗОНАТОР, Патент США 3417249 - Подан 29 апреля 1966 г.
8. RJ Wilfinger, PH Bardell и DS Chhabra: Резонистор — частотно-селективное устройство, использующее механический резонанс кремниевой подложки, IBM J. 12, 113–118 (1968)
9. PM Kosaka, J. Tamayo, JJ Ruiz, S. Puertas, E. Polo, V. Grazu, JM de la Fuente и M. Calleja: Обеспечение воспроизводимости в микрокантилеверных биосенсорах: статистический подход для чувствительного и специфического конечного обнаружения иммунореакций, Analyst 138, 863–872 (2013)
10. AR Salmon, MJ Capener, JJ Baumberg и SR Elliott: Быстрое определение толщины микроконсольного зонда с помощью оптической интерферометрии, Measurement Science and Technology 25, 015202 (2014)
11. Патрик К. Флетчер; И. Сюй; П. Гопинат; Дж. Уильямс; Б. В. Альфенаар; Р. Д. Брэдшоу; Роберт С. Кейнтон (2008). Пьезорезистивная геометрия для максимизации чувствительности микрокантилеверной матрицы . Датчики IEEE.
12. Bănică, Florinel-Gabriel (2012). Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение . Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons. стр. 576. ISBN 978-1-118-35423-0.
13. Нойс, Стивен Г.; Ванфлит, Ричард Р.; Крейгхед, Гарольд Г.; Дэвис, Роберт К. (1999-02-22). "Углеродные микроконсольные пластины с большой площадью поверхности". Nanoscale Advances . 1 (3): 1148–1154. doi : 10.1039/C8NA00101D . PMC 9418787. PMID  36133213 . 
14. Чжао, Юэ; Госай, Агниво; Шротрия, Пранав (1 декабря 2019 г.). «Влияние прикрепления рецептора на чувствительность биосенсора на основе микрокантилевера без метки с использованием аптамера малахитового зеленого». Датчики и приводы B: Химия . 300 . doi : 10.1016/j.snb.2019.126963 .

Источники

• Инглис, Саймон: Футбольные поля Великобритании . CollinsWillow, 1996. стр. 206.
• Маду, Марк Дж. (2002). Основы микропроизводства . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-8493-0826-7.
• Рот, Леланд М. (1993). Понимание архитектуры: ее элементы, история и значение. Оксфорд, Великобритания: Westview Press. стр. 23–4. ISBN 0-06-430158-3.
• Сарид, Дрор (1994). Сканирующая силовая микроскопия . Oxford University Press. ISBN 0-19-509204-X.

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с консольными балками на Wikimedia Commons