Plano neutro

En mecánica , el plano neutro o superficie neutra es un plano conceptual dentro de una viga o voladizo . Cuando se le aplica una fuerza de flexión, la viga se dobla de manera que la superficie interior queda en compresión y la superficie exterior en tensión . El plano neutro es la superficie dentro de la viga entre estas zonas, donde el material de la viga no está sometido a tensión , ni de compresión ni de tracción. ^{[ 1 ]}

Dado que no existe ninguna fuerza de tensión longitudinal en el plano neutro, tampoco hay deformación ni extensión: cuando la viga se dobla, la longitud del plano neutro permanece constante. Cualquier línea dentro del plano neutro paralela al eje de la viga se denomina curva de deflexión de la viga.

Para demostrar que toda viga debe tener un plano neutro, podemos imaginar que el material de la viga se divide en fibras estrechas paralelas a su longitud. Cuando la viga se dobla, en cualquier sección transversal dada, la región de fibras cercana al lado cóncavo estará sometida a compresión, mientras que la región cercana al lado convexo estará sometida a tensión. Dado que la tensión en el material debe ser continua a través de cualquier sección transversal, debe existir un límite entre las regiones de compresión y tensión en el que las fibras no presenten tensión. Este es el plano neutro. ^{[ 1 ]}

La ubicación del plano neutro puede ser un factor importante en estructuras monocasco y recipientes a presión . Si la estructura es una membrana reforzada con nervaduras, colocar la piel a lo largo de la superficie neutra evita fuerzas de compresión o tensión. Si la piel ya está sometida a presión externa, esto reduce la fuerza total a la que está expuesta.

En el diseño de submarinos, este ha sido un problema importante, aunque sutil. Los submarinos de la Flota de EE. UU. de la Segunda Guerra Mundial tenían una sección de casco que no era completamente circular, lo que provocaba que el círculo nodal se separara del plano neutro, generando tensiones adicionales. El diseño original estaba enmarcado internamente: esto requirió un proceso de refinamiento por ensayo y error para obtener dimensiones aceptables para las costillas . El diseñador Andrew I. McKee, del astillero naval de Portsmouth, desarrolló un diseño mejorado. Al colocar los marcos parcialmente dentro del casco y parcialmente fuera, el eje neutro pudo reajustarse para que coincidiera nuevamente con el círculo nodal. Esto eliminó el momento flector resultante en los marcos y, por lo tanto, permitió una estructura más ligera y eficiente. ^{[ 2 ]}

La propiedad de mantener una longitud constante bajo carga se ha utilizado en la metrología de longitudes . Cuando se desarrollaron barras metálicas como patrones físicos para la medición de longitudes, se calibraban mediante marcas realizadas sobre una longitud medida a lo largo del plano neutro. Esto evitaba las minúsculas variaciones de longitud debidas a la deformación de la barra bajo su propio peso.

Los primeros patrones de longitud que emplearon esta técnica fueron barras macizas de sección rectangular. Se perforó un orificio ciego en cada extremo, hasta la profundidad del plano neutro, y las marcas de calibración se realizaron a dicha profundidad. Esto resultaba inconveniente, ya que era imposible medir directamente entre las dos marcas, sino únicamente con un compás descentrado introducido en los orificios.

Para el prototipo internacional del medidor de 1870 se utilizó un método más práctico : una barra de aleación de platino-iridio que sirvió como definición del medidor desde 1889 hasta 1960, cuando la CGPM lo redefinió basándose en un patrón de kriptón . Esta barra tenía una sección transversal ensanchada, denominada sección Tresca, que se asemejaba a una X con una barra de conexión, o bien a una H con los lados doblados en ángulo. Una de las superficies de la barra transversal central de la H se diseñó para coincidir con el plano neutro, y las marcas de calibración que definían el medidor se grabaron en esta superficie. ^{[ 4 ]}

• Puntos aéreos
• Eje neutro
• Miembro de la fuerza cero