الحصول على الاتجاهات الخاصة بك

مواد البناء (لكل فريق)

المواد المطلوبة للأنشطة 1 ، 2 ، 3

• غطاء الجرة (من المايونيز أو ما شابه ذلك من عبوات)
• 25 كرة حجرية متطابقة الحجم (أكبر من عمق الغطاء المستخدم)
• كتاب
• قسم من السجاد أو البساط 

المواد المطلوبة للتحدي

• 100 أقلام رصاص
• شريط
• 25 شريط مطاطي

مواد الاختبار

• مكتب أو طاولة صغيرة
• قسم من السجاد أو البساط

المواد

• مكتب أو طاولة صغيرة
• قسم من السجاد أو البساط

معالجة

تختبر الفرق تصميماتهم من خلال إظهار كيف يمكنهم تحريك المكتب / الطاولة 10 أقدام بإصبع السبابة فقط.

تصميم التحدي

أنت فريق من المهندسين يعملون معًا لتصميم نظام باستخدام محامل أسطوانية لتحريك أحد مكاتب الفصل أو طاولة بطول 10 أقدام. قلل من القوة التي تمارسها لتحريك المكتب أو الطاولة إلى ما يمكنك دفعه باستخدام إصبع السبابة فقط.

المعايير

• يجب تحريك مكتب أو طاولة 10 أقدام.
• استخدم فقط إصبع السبابة لتحريك المكتب أو الطاولة.

القيود

• يمكن استخدام ما يصل إلى 100 قلم رصاص وشريط لاصق و 25 شريط مطاطي فقط
• استخدم فقط المواد المقدمة لك.

1. قسّم الفصل إلى فرق مكونة من 3-4 أفراد.
2. وزع ورقة عمل Getting your Bearings ، بالإضافة إلى بعض الأوراق لرسم التصاميم.
3. ناقش الموضوعات في قسم المفاهيم الأساسية. اطلب من الطلاب أن يشعروا بقوة الاحتكاك عند محاولة تحريك غطاء الجرة (الجزء المفتوح لأسفل) عبر الأسطح المختلفة: سطح المكتب ، وأرضية البلاط ، وقطعة من السجاد. اطلب من الطلاب اقتراح آلات مختلفة تتضمن محامل كريات أو محامل أسطوانية.
4. مراجعة عملية التصميم الهندسي وتحدي التصميم والمعايير والقيود والمواد.
5. زود كل فريق بالمواد الخاصة به.
6. وجه الطلاب بأنهم سوف يكملون 3 أنشطة ثم التحدي.
   نشاط 1: يحاول الطلاب تحريك الغطاء المقدم لهم على عدة أسطح - كتاب ، سطح مكتب ، أرضية ، سجادة.
   النشاط 2: يضع الطلاب ما يكفي من الكرات في غطاء الجرة لملء الفراغ تقريبًا بالرخام (يجب ألا يملأوا الكرات حتى لا تتحرك الكرات بحرية). بعد ذلك ، يجب عليهم استخدام كتاب لقلب الغطاء ، ثم محاولة تحريك الغطاء باستخدام "الكرات" الرخامية.
   النشاط 3: يجرب الطلاب طريقة مختلفة حيث يتم وضع كتاب أو وزن آخر أعلى الغطاء (مع أو بدون كرات زجاجية).
7. اشرح أنه بالنسبة للتحدي ، يجب على الطلاب تصميم نظام باستخدام محامل أسطوانية لتحريك أحد مكاتب الفصل الدراسي ، أو منضدة ، على ارتفاع 10 أقدام. يجب أن يحدوا من القوة التي يستخدمونها لتحريك المكتب أو الطاولة إلى ما يمكنهم دفعه باستخدام إصبع السبابة فقط.
8. أعلن عن مقدار الوقت الذي يتعين عليهم فيه التصميم والبناء (يوصى بساعة واحدة).
9. استخدم مؤقتًا أو ساعة توقيت على الإنترنت (ميزة العد التنازلي) لضمان مواكبة الوقت. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). امنح الطلاب "فحوصات زمنية" منتظمة حتى يظلوا في المهمة. إذا كانوا يعانون ، اطرح أسئلة ستقودهم إلى حل أسرع.
10. يلتقي الطلاب ويطورون خطة لنظام المحمل الأسطواني الخاص بهم. يتفقون على المواد التي سيحتاجون إليها ، ويكتبون / يرسمون خطتهم ، ويقدمون خطتهم إلى الفصل.
11. فرق بناء تصاميمهم.
12. تختبر الفرق تصميماتهم من خلال إظهار كيف يمكنهم تحريك المكتب / الطاولة 10 أقدام بإصبع السبابة فقط.
13. كالفصل ، ناقش أسئلة تأمل الطالب.
14. لمزيد من المحتوى حول هذا الموضوع ، راجع قسم "التعميق".

اختياري للطلاب الأكبر سنًا

اعمل في فرق لاستكشاف ما إذا كانت الأشكال الأخرى للمحامل قد يكون لها مزايا على تصميمات الكرة أو الأسطوانة الحالية. لما و لما لا؟

انعكاس الطالب (دفتر هندسي)

1. النشاط 1:
   - ما الفرق في الاحتكاك الذي حرك الغطاء عبر الأسطح المختلفة؟
   - ما السطح الأكثر احتكاكًا؟ لماذا ا؟
2. النشاط 2:
   - ما هو الاختلاف في الاحتكاك الذي واجهته مع دحرجة الكريات
   تحت الغطاء؟
   - هل ساعدت الكرات على جميع الأسطح؟ فقط بعض؟
   - أي سطح ، إن وجد ، يظهر الآن أكبر قدر من الاحتكاك؟ لماذا ا؟
3. النشاط 3:
   - هل القاعدة الرخامية تسمح بحركة أسهل عند إضافة الأوزان؟
   - هل يمكنك التفكير في تطبيق لجهاز مثل هذا؟
   - من الذي سيحتاج إلى نقل الأشياء ذات الأوزان الثقيلة؟ كيف سيساعد هذا؟
   - ضع قائمة بثلاث آلات مختلفة تتضمن محامل كريات أو محامل أسطوانية.
4. التحدي:
   - هل خططت لأعمال التصميم؟ لما و لما لا؟
   - ما المراجعات التي كان عليك إجراؤها على خطتك لجعلها حلاً أكثر فاعلية؟
   - هل كنت قادرًا على تحريك المكتب / الطاولة باستخدام القوة من إصبع سبابة واحد فقط؟

يمكن إجراء الدرس في أقل من فصل دراسي واحد للطلاب الأكبر سنًا. ومع ذلك ، لمساعدة الطلاب على الشعور بالاندفاع ولضمان نجاح الطلاب (خاصة للطلاب الأصغر سنًا) ، قم بتقسيم الدرس إلى فترتين لإعطاء الطلاب مزيدًا من الوقت لطرح الأفكار واختبار الأفكار ووضع اللمسات الأخيرة على تصميمهم. قم بإجراء الاختبار واستخلاص المعلومات في الفصل الدراسي التالي.

ما هو الاحتكاك؟

كيف تساعد الكرات؟ 

احتكاك

الاحتكاك هو مصطلح يصف مقدار المقاومة الموجودة لتحرك جسمين على آخر. كلما زاد الاحتكاك ، زادت صعوبة تحرك الجسمين بسلاسة. مع احتكاك أقل ، تتحرك الأشياء بسهولة وسلاسة ضد بعضها البعض. على سبيل المثال ، قد يكون لقطعة مطاطية احتكاك أكبر عندما تتحرك فوق السجادة مقارنةً بكتاب مدرسي أملس. في الآلات ، تحتك الأجزاء ببعضها البعض ويمكن أن يؤدي الاحتكاك المتزايد إلى تلف الأجزاء بشكل أسرع.

الكرات

يعني مصطلح محمل الكرة أحيانًا مجموعة محامل تستخدم محامل كروية كعناصر متدحرجة. وتعني أيضًا كرة فردية لتجميع المحمل. تصنع الكرات من العديد من المواد المختلفة ، بما في ذلك السيراميك والمعادن والفولاذ المقاوم للصدأ والمواد الهجينة الأخرى. إنها تساعد في تقليل الاحتكاك مما يحافظ على تشغيل الآلات لفترة أطول. يمكنهم أيضًا السماح للآلة بالعمل بهدوء أكبر. تم تصميم المحامل وفقًا لمبدأ بسيط - وهو أن الأشياء تتدحرج بسهولة أكبر مما تنزلق. عندما ينزلق جسمان على بعضهما البعض ، مثل كتاب على طاولة أو جرة على سجادة ، فإن الاحتكاك بين الأسطح يعمل على إبطاء الحركة. إذا كان بإمكان الكائنات بدلاً من ذلك ، أن تتدحرج فوق بعضها البعض ، فإن مساحة السطح التي تلامس تكون محدودة وبالتالي يتم تقليل الاحتكاك.

المتداول محامل العنصر

محمل العنصر المتداول هو محمل يحمل حمولة عن طريق وضع عناصر مستديرة بين القطعتين. تؤدي الحركة النسبية للقطع إلى دوران العناصر الدائرية (السقوط) مع انزلاق قليل. في الصورة يمكنك أن ترى كيف يتم تغليف الكرات بين الأجزاء الدائرية. من أقدم وأشهر محامل العناصر المتدحرجة مجموعات من جذوع الأشجار الموضوعة على الأرض مع وجود كتلة حجرية كبيرة في الأعلى. عندما يتم سحب الحجر ، تتدحرج جذوع الأشجار على طول الأرض مع القليل من الاحتكاك المنزلق. عندما يخرج كل سجل من الخلف ، يتم نقله إلى الأمام حيث يتم تحريك الكتلة إليه. يمكنك تقليد مثل هذا المحمل بوضع عدة أقلام أو أقلام رصاص على طاولة ووضع يدك فوقها.

دراجات بدون محامل كروية؟ الوقايات الدوارة بدون محامل؟

تعتبر الدراجات مثالًا رائعًا للآلة التي تستخدم محامل كريات لتقليل الاحتكاك. يمكن العثور على محامل كروية في الدواسات ، وفي المحاور الأمامية والخلفية للعجلات ، والأنبوب حيث يتم توصيل المقود. وتشمل ألواح التزلج وشفرات الأسطوانة محامل كروية أيضًا! إلى جانب هذه الأمثلة ، تعتبر المحامل الكروية عنصرًا مهمًا في تصميم منصات حفر النفط والطائرات والسيارات. تستخدم محامل الأسطوانة في الوقايات الدوارة!

تاريخ الكرة - تطور المنتج  

تاريخنا

تم العثور على مثال مبكر للكرات الخشبية التي تدعم طاولة دوارة من بقايا سفينة رومانية في بحيرة نيمي بإيطاليا. يعود تاريخ الحطام إلى 40 قبل الميلاد. يُقال إن ليوناردو دافنشي قد وصف نوعًا من الكرات المحامل في حوالي عام 1500. إحدى المشكلات المتعلقة بالمحامل الكروية هي أنها يمكن أن تحتك ببعضها البعض ، مما يتسبب في احتكاك إضافي ، ولكن يمكن منع ذلك عن طريق وضع الكرات في قفص . وصف جاليليو المحمل الكروي الذي تم أسره أو وضعه في قفص في الأصل في القرن السابع عشر.

الابتكار

هنري تيمكين ، صاحب الرؤية والمبتكر في القرن التاسع عشر في صناعة النقل ، حصل على براءة اختراع لمحمل الأسطوانة المخروطية في عام 19. لقد تصور عملًا مبنيًا على حل مشكلة تقنية حرجة قديمة: الاحتكاك ، القوة التي تعيق حركة الأشياء التي تتلامس مع بعضهم البعض. لاحظ تيمكين أن "الرجل الذي يستطيع أن يبتكر شيئًا من شأنه أن يقلل الاحتكاك بشكل أساسي ، سيحقق شيئًا ذا قيمة حقيقية للعالم". في العام التالي ، أسس شركة Timken لإنتاج ابتكاره.

تصميم المنتج وتحسينه

عندما بدأ هنري عمله التنموي ، كان المحمل السائد هو المحمل البسيط ، أو "الاحتكاك" ، الذي كان مستخدمًا مع تغير بسيط منذ العصور القديمة. كانت في الأساس عبارة عن بطانة معدنية في الفتحة حول عمود الدوران ، مع العمل الرئيسي لتقليل الاحتكاك اعتمادًا على التزييت. بدأ هنري بتجربة المحامل الكروية لكنها فشلت بسرعة من التآكل. وخلص إلى أن المحامل "الدوارة" تحمل وعدًا أكبر للمركبات ، مثل السيارات ، لأن وزن الحمولة - أثقل بكثير من وزن الدراجة - يمكن حمله بطول البكرات بالكامل ، على عكس الوزن الفردي. نقطة اتصال على كل كرة في الكرات. جرب هنري البكرات المستقيمة لكنه استقر على مدبب ، مما سمح للمحامل بإدامة القوى من جميع الاتجاهات. منذ عام 1899 ، أنتجت شركة Timken أكثر من ستة مليارات محامل وهي الآن تصنع محامل من العديد من الأنواع المختلفة.

الصناعات والتطبيقات

تُستخدم المحامل الكروية في معظم الصناعات ، بما في ذلك النقل والفضاء والتصنيع والزراعة والرياضة / الترفيه. ستجد بعض الأمثلة على المحامل الكروية أو الدوارة المستخدمة في عجلات هبوط الطائرات ، وتوربينات الرياح ، والأقمار الصناعية ، ومصانع الدرفلة. يمكن العثور على محامل مصغرة في التطبيقات الطبية مثل معدات طب الأسنان.

اتصالات الإنترنت

• رابطة مصنعي المحامل الأمريكية - تحمل الجدول الزمني

اقتراحات للقراءة

• Timken: من ميزوري إلى المريخ - قرن من الريادة في التصنيع (ISBN: 0875848877)
• علم ركوب الدراجات ، بقلم ديفيد جوردون ويلسون (ISBN: 0262731541)
• المحامل الكروية: النظرية والتصميم والتطبيق (ISBN: 0471984523)

النشاط الكتابة

اكتب مقالًا أو فقرة تصف ثلاث آلات مختلفة تتضمن محامل كريات أو محامل أسطوانية. كيف يؤدي استخدام المحامل إلى تحسين الماكينة؟

التوافق مع أطر المناهج

ملحوظة: تتوافق خطط الدروس في هذه السلسلة مع واحدة أو أكثر من مجموعات المعايير التالية:

• S. معايير تعليم العلوم (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• ق.معايير علوم الجيل القادم (http://www.nextgenscience.org/)
• معايير الرابطة الدولية لتعليم التكنولوجيا لمحو الأمية التكنولوجية (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. National Council of Teachers of Mathematics 'مبادئ ومعايير للرياضيات المدرسية (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• ق.معايير الدولة الأساسية المشتركة للرياضيات (http://www.corestandards.org/Math)
• معايير علوم الكمبيوتر لجمعية معلمي علوم الكمبيوتر K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

معايير تعليم العلوم الوطنية الصفوف K-4 (من 4 إلى 9 سنوات)

معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية

كنتيجة لأنشطتهم ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهم

• خصائص الأشياء والمواد
• موقف وحركة الأشياء

معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا

نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير

• قدرات التصميم التكنولوجي

معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم

كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها

• العلم كمسعى بشري

معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 5 إلى 8 عامًا)

معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية

كنتيجة لأنشطتهم ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهم

• خصائص وتغيرات خصائص المادة
• الحركات والقوى
• نقل الطاقة

معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا

نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير

• قدرات التصميم التكنولوجي

معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم

كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها

• العلم كمسعى بشري
• تاريخ العلوم

معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 9 إلى 12 عامًا)

معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية

كنتيجة لأنشطتهم ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها

• الحركات والقوى
• تفاعلات الطاقة والمادة

معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا

نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير

• قدرات التصميم التكنولوجي
• تفاهمات حول العلم والتكنولوجيا

معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 9 إلى 12 عامًا)

معيار المحتوى F: العلم من منظور شخصي واجتماعي

كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها

• العلم والتكنولوجيا في التحديات المحلية والوطنية والعالمية

معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم

كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها

• وجهات نظر تاريخية

معايير علوم الجيل القادم - الصفوف 2-5 (الأعمار 7-11)

المادة وتفاعلاتها

• 2-PS1-2. تحليل البيانات التي تم الحصول عليها من اختبار المواد المختلفة لتحديد المواد التي لها الخصائص الأكثر ملاءمة للغرض المقصود.

الحركة والاستقرار: القوى والتفاعلات

يمكن للطلاب الذين يظهرون الفهم:

• 3-PS2-1. تخطيط وإجراء تحقيق لتقديم دليل على تأثيرات القوى المتوازنة وغير المتوازنة على حركة الجسم.

التصميم الهندسي

يمكن للطلاب الذين يظهرون الفهم:

• 3-5-ETS1-1 حدد مشكلة تصميم بسيطة تعكس حاجة أو رغبة تتضمن معايير محددة للنجاح وقيود على المواد أو الوقت أو التكلفة.
• 3-5-ETS1-2 قم بتوليد ومقارنة العديد من الحلول الممكنة لمشكلة ما بناءً على مدى احتمالية تلبية كل منها لمعايير وقيود المشكلة.

معايير علوم الجيل القادم - الصفوف 6-8 (الأعمار 11-14)

التصميم الهندسي

يمكن للطلاب الذين يظهرون الفهم:

• MS-ETS1-2 تقييم حلول التصميم المتنافسة باستخدام عملية منهجية لتحديد مدى استيفائها لمعايير وقيود المشكلة.

معايير محو الأمية التكنولوجية - جميع الأعمار

التكنولوجيا والمجتمع

• المعيار 6: سيطور الطلاب فهمًا لدور المجتمع في تطوير واستخدام التكنولوجيا.
• المعيار 7: سيطور الطلاب فهمًا لتأثير التكنولوجيا على التاريخ.

تصميم

• المعيار 8: سيطور الطلاب فهمًا لسمات التصميم.

المعيار 9: سيطور الطلاب فهمًا للهندسة

خطوة واحدة:

اقرأ أوراق مراجع الطالب للتعرف على المحامل وتاريخ وتطور المحامل الكروية والأسطوانة.

الخطوة الثانية:

العمل في مجموعات من 3-4 طلاب ، حاول تحريك الغطاء المقدم لك على عدة أسطح - كتاب ، سطح مكتب ، أرضية ، سجادة.

السؤال:

1. ما الفرق في الاحتكاك الذي يحرك الغطاء عبر الأسطح المختلفة؟ ما هو السطح الأكثر احتكاكًا؟ لماذا ا؟

الخطوة الثالثة:

ضع ما يكفي من قطع الرخام في غطاء الجرة لملء الفراغ تقريبًا بالرخام (لا تملأ أكثر من اللازم حتى لا تتحرك الكرات بحرية). استخدم كتابًا لقلب الغطاء ، وحاول الآن تحريك الغطاء باستخدام "الكرات" الرخامية للمساعدة في حركات غطاء الاحتكاك عبر نفس الأسطح التي تم تجربتها سابقًا.

أسئلة:

1. ما هو الاختلاف في الاحتكاك الذي حدث مع الكرات المتدحرجة تحت الغطاء؟

2. هل ساعدت الكرات على جميع الأسطح؟ فقط بعض؟ أي سطح ، إن وجد ، يظهر الآن أكبر قدر من الاحتكاك؟ لماذا ا؟

الخطوة الرابعة:

جرب نوعًا مختلفًا حيث يتم وضع كتاب أو وزن آخر أعلى الغطاء (مع أو بدون كرات زجاجية).

أسئلة:

1. هل القاعدة الرخامية تسمح بحركة أسهل عند إضافة الأوزان؟

2. هل يمكنك التفكير في تطبيق لجهاز مثل هذا؟ من الذي سيحتاج إلى نقل العناصر ذات الأوزان الثقيلة؟ كيف سيساعد هذا؟

3. ضع قائمة بثلاث آلات مختلفة تتضمن محامل كريات أو محامل أسطوانية.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

ورقة عمل الطالب الاختيارية:
انت المهندس! حل المشكلات باستخدام المحامل الدوارة

تعليمات

انت المهندس! اعمل في فريق وقم بوضع خطة باستخدام محامل أسطوانية لتحريك أحد مكاتب الفصل الدراسي أو منضدة بطول 10 أقدام باستخدام المواد المتوفرة. التحدي: حد من القوة التي تطبقها لتحريك المكتب أو الطاولة إلى ما يمكنك دفعه باستخدام إصبع السبابة فقط. يمكنك استخدام ما يصل إلى 100 قلم رصاص ، شريط لاصق.

المواد

مجموعة واحدة من المواد لكل مجموعة من الطلاب:

• 100 أقلام رصاص
• شريط
• العصابات المطاطية
• قسم من السجاد أو البساط

خطوة واحدة:

ارسم توضيحًا يوضح الحل المخطط أدناه.

الخطوة الثانية:

جرب خطتك! تعرف على ما إذا كان يمكنك تحريك المكتب باستخدام فقط - يعمل المهندسون بمقاييس مختلفة طوال الوقت!

أسئلة:

1. هل خططت لعمل التصميم؟ لما و لما لا؟

2. ما المراجعات التي كان عليك إجراؤها على خطتك لجعلها حلاً أكثر فاعلية؟

3. هل كنت قادرًا على تحريك المكتب / الطاولة باستخدام القوة من إصبع سبابة واحد فقط؟