Атрыманне падшыпнікаў

Будаўнічыя матэрыялы (для кожнай каманды)

Неабходныя матэрыялы для мерапрыемстваў 1, 2, 3

• Крышка слоіка (з маянэзу або аналагічнай ёмістасці)
• 25 шарыкаў аднолькавага памеру (больш, чым выкарыстоўваная глыбіня вечка)
• кніга
• Раздзел дывана або дывана 

Неабходныя матэрыялы для конкурсу

• 100 алоўкаў
• Аплявуха
• 25 гумак

Выпрабавальныя матэрыялы

• Пісьмовы стол або невялікі стол
• Раздзел дывана або дывана

матэрыялы

• Пісьмовы стол або невялікі стол
• Раздзел дывана або дывана

Працэс

Каманды правяраюць свае праекты, паказваючы, як яны могуць перамяшчаць стол/стол на 10 футаў толькі паказальным пальцам.

Design Challenge

Вы - каманда інжынераў, якія працуюць разам над распрацоўкай сістэмы з дапамогай ролікавых падшыпнікаў для перамяшчэння адной з вашых партаў або стала на 10 футаў. Абмяжуйце сілу, якую вы прыкладаеце, каб перамясціць стол або стол да таго, што вы можаце націснуць толькі паказальным пальцам.

Крытэрыі

• Павінен перамясціць пісьмовы стол або стол на 10 футаў.
• Для перамяшчэння стала або стала выкарыстоўвайце толькі паказальны палец.

Constraints

• Можна выкарыстоўваць толькі да 100 алоўкаў, стужкі і 25 гумак
• Выкарыстоўвайце толькі прадастаўленыя вам матэрыялы.

1. Разбіце клас на каманды па 3-4 чалавекі.
2. Раздайце ліст "Атрымаць падшыпнікі", а таксама некалькі лістоў паперы для стварэння эскізаў.
3. Абмяркуйце тэмы ў раздзеле "Асноўныя канцэпцыі". Папрасіце студэнтаў адчуць сілу трэння пры спробе перамясціць вечка (адкрытую частку ўніз) банкі па розных паверхнях: стальніца, пліткавы падлогу, кавалак дывана. Папрасіце студэнтаў прапанаваць розныя машыны, якія ўключаюць шарыкападшыпнікі або ролікавыя падшыпнікі.
4. Азнаёмцеся з працэсам інжынернага праектавання, праектаваннем, крытэрыямі, абмежаваннямі і матэрыяламі.
5. Перадайце кожнай камандзе свае матэрыялы.
6. Пакажыце вучням, што яны будуць выконваць 3 мерапрыемствы, а потым выклік.
   Заданне 1: Студэнты спрабуюць перамясціць крышку, якая ім прадастаўлена, па некалькіх паверхнях - кнізе, працоўным стале, падлозе, дыване.
   Занятак 2: Студэнты кладуць у крышку слоіка дастаткова шарыкаў, каб амаль запоўніць прастору шарыкамі (яны не павінны перапаўняць яго, каб шарыкі не маглі свабодна рухацца). Далей ім варта перавярнуць вечка з дапамогай кнігі, а потым паспрабаваць перамясціць вечка з мармуровымі «шарыкамі».
   Занятак 3: Вучні спрабуюць варыянт, калі кніга або іншы цяжар кладзецца на верх крышкі (з мармурам і без).
7. Растлумачце, што для задачы студэнты павінны распрацаваць сістэму з ролікавымі падшыпнікамі для перамяшчэння адной з партаў у класе або стала на 10 футаў. Яны павінны абмежаваць сілу, якую яны прыкладаюць, каб прымусіць стол або стол перамясціцца да таго, што яны могуць націснуць, выкарыстоўваючы толькі паказальны палец.
8. Абвясціце колькасць часу, якое яны маюць на праектаванне і будаўніцтва (рэкамендуецца 1 гадзіна).
9. Выкарыстоўвайце таймер або он-лайн секундамер (функцыя зваротнага адліку), каб гарантаваць своечасовае выкананне. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Рэгулярна давайце студэнтам "праверкі часу", каб яны заставаліся на задачы. Калі ім цяжка, задавайце пытанні, якія прывядуць іх да рашэння хутчэй.
10. Студэнты сустракаюцца і распрацоўваюць план сваёй сістэмы падшыпнікаў катка. Яны ўзгадняюць неабходныя матэрыялы, пішуць/малююць свой план і прадстаўляюць свой план класу.
11. Каманды ствараюць свае праекты.
12. Каманды правяраюць свае праекты, паказваючы, як яны могуць перамяшчаць стол/стол на 10 футаў толькі паказальным пальцам.
13. У класе абмяркуйце пытанні разважанняў вучняў.
14. Для атрымання дадатковай інфармацыі па гэтай тэме глядзіце раздзел «Капаць глыбей».

Дадаткова для студэнтаў старэйшага ўзросту

Працуйце ў камандзе, каб даведацца, ці могуць іншыя формы падшыпнікаў мець перавагі перад сучаснымі канструкцыямі шарыкаў або ролікаў. Чаму ці чаму не?

Студэнцкі роздум (інжынерны сшытак)

1. Дзейнасць 1:
   - У чым розніца трэння пры перамяшчэнні вечка па розных паверхнях?
   - Якая паверхня выявіла найбольшае трэнне? Чаму?
2. Дзейнасць 2:
   - Якая розніца ў трэнні, якое вы выпрабавалі пры пракаце шарыкаў
   пад вечкам?
   - Мармуры дапамагалі на ўсіх паверхнях? Толькі некаторыя?
   - Якая паверхня, калі такая маецца, выявіла найбольш трэнне? Чаму?
3. Дзейнасць 3:
   - Ці дазваляе мармуровая аснова палегчыць перамяшчэнне пры даданні вагаў?
   - Вы можаце прыдумаць прыкладанне для такой прылады?
   - Каму трэба будзе перамяшчаць прадметы з вялікай вагой? Як бы гэта дапамагло?
   - Пералічыце тры розныя машыны, якія ўключаюць шарыкападшыпнікі або ролікавыя падшыпнікі.
4. задача:
   - Вы планавалі праектныя работы? Чаму ці чаму не?
   - Якія змены вы павінны былі ўнесці ў свой план, каб зрабіць яго больш эфектыўным?
   - Вы змаглі перамясціць стол/стол, выкарыстоўваючы толькі сілу аднаго паказальнага пальца?

Урок можна прайсці ўсяго за 1 клас для старэйшых школьнікаў. Аднак, каб дапамагчы студэнтам не адчуваць прыспешлівасці і забяспечыць поспех студэнтаў (асабліва для малодшых школьнікаў), падзеліце ўрок на два перыяды, даючы студэнтам больш часу на мазгавы штурм, тэставанне ідэй і дапрацоўку іх дызайну. Правядзіце тэставанне і аналіз у наступны класны час.

Што такое трэнне?

Чым дапамагаюць шаравыя падшыпнікі? 

Трэнне

Трэнне - гэта тэрмін, які апісвае, якое супраціўленне ёсць для перамяшчэння двух аб'ектаў над іншымі. Чым больш трэнне, тым складаней рухацца двум аб'ектам. Пры меншым трэнні прадметы лёгка і плыўна рухаюцца адзін супраць аднаго. Напрыклад, кавалак гумы будзе мець большае трэнне, рухаючыся па дыване, чым гладкі падручнік. У машынах дэталі труцца адна аб адну, і падвышанае трэнне можа хутчэй зношвацца.

шарыкавыя падшыпнікі

Пад тэрмінам "шарыкападшыпнік" часам разумеецца падшыпнікавы вузел, які выкарыстоўвае сферычныя падшыпнікі ў якасці элементаў качэння. Гэта таксама азначае асобны шар для падшыпнікавага вузла. Шарыкападшыпнікі зроблены з мноства розных матэрыялаў, у тым ліку керамікі, металаў, нержавеючай сталі і іншых гібрыдных матэрыялаў. Яны дапамагаюць знізіць трэнне, дзякуючы чаму машыны працуюць даўжэй. Яны таксама могуць дазволіць машыне працаваць цішэй. Падшыпнікі былі распрацаваны па простым прынцыпе - што аб'екты катаюцца лягчэй, чым слізгаюць. Калі два прадметы слізгаюць адзін супраць аднаго, напрыклад, кніга на стале або слоік на дыване, трэнне паміж паверхнямі запавольвае рух. Калі замест гэтага аб'екты могуць перавярнуцца адзін на аднаго, то аб'ём паверхні, які датыкаецца, абмежаваны, а значыць, трэнне зніжаецца.

Падшыпнікі качэння

Падшыпнік качэння-гэта падшыпнік, які нясе нагрузку, размяшчаючы паміж двума часткамі круглыя ​​элементы. Адноснае рух кавалачкаў прыводзіць да кручэння круглых элементаў з невялікім слізгаценнем. На малюнку можна ўбачыць, як шарыкі заключаны паміж круглымі часткамі. Адным з самых ранніх і вядомых падшыпнікаў качэння з'яўляюцца наборы бярвення, якія кладуцца на зямлю з вялікім каменным блокам зверху. Па меры выцягвання каменя бярвенні коцяцца па зямлі з невялікім трэннем слізгацення. Па меры таго як кожнае бервяно выходзіць ззаду, яно перамяшчаецца наперад, дзе блок перакочваецца на яго. Вы можаце імітаваць такі падшыпнік, паставіўшы на стол некалькі ручак або алоўкаў і паклаўшы на іх руку.

Ровары без шарыкападшыпнікаў? Амерыканскія горкі без ролікавых падшыпнікаў?

Веласіпеды - выдатны прыклад машыны, якая выкарыстоўвае шарыкападшыпнікі для зніжэння трэння. Шарыкападшыпнікі можна знайсці ў педалях, у пярэдніх і задніх ступіцах колаў і трубцы, дзе мацуецца руль. А скейтборды і ролікавыя ляза таксама ўключаюць шарыкападшыпнікі! Акрамя гэтых прыкладаў, шарыкападшыпнікі з'яўляюцца важным элементам канструкцыі буравых установак, самалётаў і аўтамабіляў. Ролікавыя падшыпнікі выкарыстоўваюцца ў амерыканскіх горках!

Гісторыя шарыкападшыпніка - эвалюцыя прадукту  

гісторыя

Першы прыклад драўлянага шарыкавага падшыпніка, які падтрымлівае паваротны стол, быў знойдзены з рэшткаў рымскага карабля ў возеры Немі, Італія. Абломкі датуюцца 40 годам да н. Кажуць, што Леанарда да Вінчы апісаў тып шарыкападшыпніка каля 1500 года. Адна з праблем з падшыпнікамі заключаецца ў тым, што яны могуць трэцца адзін аб аднаго, выклікаючы дадатковае трэнне, але гэтага можна прадухіліць, заключыўшы шары ў клетку . Захоплены або зняты ў клетку шарыкападшыпнік быў першапачаткова апісаны Галілеем у 1600 -я гады.

інавацыя

Генры Цімкен, дальнабачны дзеяч XIX стагоддзя і наватар у вытворчасці вагонаў, запатэнтаваў канічны ролікавы падшыпнік у 19 г. Ён уяўляў сабе бізнэс, заснаваны на вырашэнні найважнейшай, спрадвечнай тэхнічнай праблемы: трэння, сілы, якая перашкаджае руху прадметаў, якія датыкаюцца з адзін аднаго. "Чалавек, які мог бы прыдумаць тое, што ў корані знізіць трэнне, - заўважыў Цімкен, - дасягнуў бы чагосьці сапраўднага для свету". У наступным годзе ён стварыў The Timken Company для вытворчасці сваёй інавацыі.

Дызайн і ўдасканаленне прадукту

Калі Генры пачаў сваю працу па распрацоўцы, пераважным падшыпнікам быў падшыпнік "трэння", які выкарыстоўваўся з невялікімі зменамі са старажытных часоў. Гэта была па сутнасці металічная гільза ў адтуліне вакол паваротнага вала, асноўная праца па зніжэнні трэння ў залежнасці ад змазкі. Генры пачаў эксперыментаваць з шарыкападшыпнікамі, але яны хутка выйшлі з ладу. Ён прыйшоў да высновы, што "ролікавыя" падшыпнікі больш абяцаюць транспартным сродкам, напрыклад аўтамабілям, таму што вага грузу- нашмат цяжэйшы, чым на веласіпедзе- можа пераносіцца па ўсёй даўжыні каткоў, у адрозненне ад адзінкавых кропка судакранання кожнага шарыкападшыпніка. Генры паспрабаваў прамыя каткі, але спыніўся на канічных, што дазваляла падшыпнікам падтрымліваць сілы з усіх бакоў. З 1899 года кампанія Timken выпусціла больш за шэсць мільярдаў падшыпнікаў і цяпер вырабляе падшыпнікі розных тыпаў.

Прамысловасць і прымяненне

Шарыкападшыпнікі выкарыстоўваюцца ў большасці галін прамысловасці, у тым ліку ў транспарце, аэракасмічнай, вытворчай, сельскай гаспадарцы і спорце/забавах. Вы знойдзеце некаторыя прыклады шарыкавых або ролікавых падшыпнікаў, якія выкарыстоўваюцца ў пасадачных колах самалётаў, ветраных турбінах, спадарожніках і пракатных станах. Мініяцюрныя падшыпнікі можна знайсці ў медыцынскіх мэтах, такіх як стаматалагічнае абсталяванне.

Падключэнне да Інтэрнэту

• Амерыканская асацыяцыя вытворцаў падшыпнікаў - часовая шкала падшыпнікаў

Рэкамендуемы літаратура

• Цімкен: Ад Місуры да Марса - стагоддзе лідэрства ў вытворчасці (ISBN: 0875848877)
• Навука аб веласпорце, Дэвід Гордан Уілсан (ISBN: 0262731541)
• Шарыка -ролікавыя падшыпнікі: тэорыя, дызайн і прымяненне (ISBN: 0471984523)

Пісьменніцкая дзейнасць

Напішыце сачыненне або абзац з апісаннем трох розных машын, якія ўключаюць шарыкападшыпнікі або ролікавыя падшыпнікі. Як выкарыстанне падшыпнікаў паляпшае стан?

Прывядзенне ў адпаведнасць з рамкамі навучальных праграм

нататка: Планы ўрокаў гэтай серыі ўзгадняюцца з адным або некалькімі з наступных набораў стандартаў:

• С. Стандарты навуковай адукацыі (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Навуковыя стандарты наступнага пакалення (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарты Міжнароднай тэхналагічнай адукацыйнай асацыяцыі тэхналагічнай пісьменнасці (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• С. Нацыянальны савет настаўнікаў матэматыкі "Прынцыпы і стандарты школьнай матэматыкі" (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Агульныя асноўныя дзяржаўныя стандарты матэматыкі (http://www.corestandards.org/Math)
• Стандарты інфарматыкі K-12 Асацыяцыі настаўнікаў інфарматыкі (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі К-4 класы (ва ўзросце 4-9)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку сваёй дзейнасці ва ўсіх вучняў павінна скласціся разуменне

• Уласцівасці прадметаў і матэрыялаў
• Размяшчэнне і рух аб'ектаў

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука як справа чалавека

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 5-8 класы (10-14 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку сваёй дзейнасці ва ўсіх вучняў павінна скласціся разуменне

• Уласцівасці і змены ўласцівасцей у рэчыве
• Рухі і сілы
• Перадача энергіі

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука як справа чалавека
• Гісторыя навукі

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 9-12 класы (14-18 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ Б: Фізічныя навукі

У выніку сваёй дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Рухі і сілы
• Узаемадзеянне энергіі і матэрыі

ЗМЕСТ СТАНДАРТ E: Навука і тэхніка

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развівацца

• Здольнасці тэхналагічнага праектавання
• Разуменне навукі і тэхнікі

Нацыянальныя стандарты навуковай адукацыі 9-12 класы (14-18 гадоў)

ЗМЕСТ СТАНДАРТ F: Навука ў асабістай і сацыяльнай перспектывах

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Навука і тэхніка ў мясцовых, нацыянальных і глабальных праблемах

ЗМЕСТ СТАНДАРТ G: Гісторыя і прырода навукі

У выніку дзейнасці ўсе вучні павінны развіваць разуменне

• Гістарычныя перспектывы

Навуковыя стандарты наступнага пакалення-2-5 класы (узрост 7-11)

Матэрыя і яе ўзаемадзеянне

• 2-PS1-2. Прааналізуйце дадзеныя, атрыманыя ў выніку выпрабаванняў розных матэрыялаў, каб вызначыць, якія матэрыялы маюць тыя ўласцівасці, якія лепш за ўсё падыходзяць па прамым прызначэнні.

Рух і стабільнасць: сілы і ўзаемадзеянне

Студэнты, якія дэманструюць разуменне, могуць:

• 3-PS2-1. Плануйце і правядзіце расследаванне, каб даць доказы ўплыву збалансаваных і неўраўнаважаных сіл на рух аб'екта.

Інжынерны дызайн

Студэнты, якія дэманструюць разуменне, могуць:

• 3-5-ETS1-1. Вызначце простую канструктыўную задачу, якая адлюстроўвае патрэбу ці жаданне, якая ўключае ў сябе зададзеныя крытэрыі поспеху і абмежаванні па матэрыялах, часу або кошту.
• 3-5-ETS1-2.Стварыце і параўнайце некалькі магчымых рашэнняў праблемы, зыходзячы з таго, наколькі кожны з іх можа адпавядаць крытэрам і абмежаванням праблемы.

Навуковыя стандарты наступнага пакалення-6-8 класы (узрост 11-14)

Інжынерны дызайн

Студэнты, якія дэманструюць разуменне, могуць:

• MS-ETS1-2 Ацэньвайце канкуруючыя дызайнерскія рашэнні, выкарыстоўваючы сістэматычны працэс, каб вызначыць, наколькі яны адпавядаюць крытэрам і абмежаванням праблемы.

Стандарты тэхналагічнай пісьменнасці - усе стагоддзі

Тэхналогія і грамадства

• Стандарт 6: Студэнты выпрацуюць разуменне ролі грамадства ў развіцці і выкарыстанні тэхналогій.
• Стандарт 7: Студэнты выпрацуюць разуменне ўплыву тэхналогій на гісторыю.

дызайн

• Стандарт 8: Студэнты будуць развіваць разуменне атрыбутаў дызайну.

Стандарт 9: Студэнты будуць развіваць разуменне тэхнікі

Крок першы:

Прачытайце даведачныя даведкі для вучняў, каб даведацца пра падшыпнікі, гісторыю і эвалюцыю шарыка -ролікавых падшыпнікаў.

Крок другі:

Працуючы ў групах з 3-4 вучняў, паспрабуйце перамясціць крышку, прадстаўленую вам, па некалькіх паверхнях-кніжнай, настольнай, падлогавай, дывановай.

пытанне:

1. У чым розніца трэння пры перамяшчэнні вечка па розных паверхнях? Якая паверхня выявіла найбольшае трэнне? Чаму?

Крок трэці:

Пакладзеце роўна столькі шарыкаў у вечка слоіка, каб амаль запоўніць прастору мармурам (не залівайце празмерна, каб шарыкі не маглі свабодна рухацца). Перавярнуўшы вечка, скарыстайцеся кнігай, а цяпер паспрабуйце перамясціць вечка з мармуровымі «шарыкамі», дапамагаючы рухам фрыкцыйнай вечка па тых жа паверхнях, якія спрабавалі раней.

пытанні:

1. Якая розніца ў трэнні, якое вы адчулі, калі шарыкі каціліся пад вечкам?

2. Ці дапамаглі мармуры на ўсіх паверхнях? Толькі некаторыя? Якая з паверхняў, калі такія маюцца, выяўляе найбольшае трэнне? Чаму?

Крок чацвёрты:

Паспрабуйце варыянт, калі кніга або іншы цяжар кладзецца на верх крышкі (з мармурам і без).

пытанні:

1. Ці дазваляе мармуровая аснова палегчыць перамяшчэнне пры даданні вагаў?

2. Вы можаце прыдумаць прыкладанне для такой прылады? Каму трэба будзе перамяшчаць прадметы з вялікай вагой? Як бы гэта дапамагло?

3. Пералічыце тры розныя машыны, якія ўключаюць шарыкападшыпнікі або ролікавыя падшыпнікі.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Дадатковы ліст для студэнтаў:
Вы інжынер! Рашэнне праблем з ролікавымі падшыпнікамі

інструкцыі

Вы інжынер! Працуйце ў камандзе і распрацуйце план, выкарыстоўваючы ролікавыя падшыпнікі, каб перамясціць адну з вашых партаў або стол на 10 футаў з дапамогай матэрыялаў. Выклік: абмяжуйце сілу, якую вы прыкладаеце, каб перамясціць стол або стол да таго, што вы можаце націснуць толькі паказальным пальцам. Вы можаце выкарыстоўваць да 100 алоўкаў, скотчу.

матэрыялы

Адзін набор матэрыялаў для кожнай групы студэнтаў:

• 100 алоўкаў
• стужка
• гумкі
• Раздзел дывана або дывана

Крок першы:

Намалюйце ілюстрацыю, якая паказвае ваша запланаванае рашэнне ніжэй.

Крок другі:

Паспрабуйце свой план! Паглядзіце, ці можна перамяшчаць стол толькі з дапамогай інжынераў, якія ўвесь час працуюць у розных маштабах!

пытанні:

1. Вы планавалі праектныя работы? Чаму ці чаму не?

2. Якія змены вы павінны былі ўнесці ў свой план, каб зрабіць яго больш эфектыўным рашэннем?

3. Ці змаглі вы перамясціць стол/стол, выкарыстоўваючы толькі сілу аднаго паказальнага пальца?