Получаване на вашите лагери

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали за дейности 1, 2, 3

• Капак на буркан (от майонеза или подобен контейнер)
• 25 мрамора с еднакви размери (по -големи от използваната дълбочина на капака)
• книга
• Секция от килим или килим 

Необходими материали за предизвикателството

• 100 молива
• лента
• 25 гумени ленти

Материали за тестване

• Бюро или малка маса
• Секция от килим или килим

материали

• Бюро или малка маса
• Секция от килим или килим

Процес

Екипите тестват дизайна си, като показват как могат да преместват бюрото/масата на 10 фута само с показалеца си.

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, които работят заедно, за да проектират система, използваща ролкови лагери за преместване на една от вашите бюра в класната стая или маса на 10 фута. Ограничете силата, която прилагате, за да накарате бюрото или масата да се премести до това, което можете да натиснете само с показалеца си.

Критерии

• Трябва да преместите бюро или маса на 10 фута.
• Използвайте само показалеца си, за да преместите бюрото или масата.

Ограничения

• Може да използва само до 100 молива, лента и 25 гумени ленти
• Използвайте само предоставените ви материали.

1. Разбийте класа на екипи от 3-4.
2. Раздайте работния лист „Получаване на вашите лагери“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
3. Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. Помолете учениците да усетят силата на триене, когато се опитват да преместят капака (отворената част надолу) на буркана върху различни повърхности: плот, плочка, паркет килим. Помолете учениците да предложат различни машини, които включват сачмени или ролкови лагери.
4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
5. Предоставете на всеки екип своите материали.
6. Инструктирайте учениците, че ще завършат 3 дейности и след това предизвикателство.
   Дейност 1: Учениците се опитват да преместят предоставения им капак върху няколко повърхности - книга, работен плот, под, килим.
   Дейност 2: Учениците поставят достатъчно топчета в капака на буркана, за да запълнят почти пространството с мрамори (не трябва да го препълват, така че топчетата да не могат да се движат свободно). След това те трябва да използват книга, за да обърнат капака, и след това да опитат да преместят капака с мраморните „топки“.
   Дейност 3: Учениците изпробват вариант, при който върху капака се поставя книга или друго тежест (със и без мрамори).
7. Обяснете, че за предизвикателството учениците трябва да проектират система, използваща ролкови лагери, за да преместят една от бюрата в класната стая или маса на 10 фута. Те трябва да ограничат силата, която прилагат, за да накарат бюрото или масата да се премести до това, което могат да натиснат, използвайки само показалеца ви.
8. Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
9. Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
10. Учениците се срещат и разработват план за своята система с ролкови лагери. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа.
11. Екипите изграждат своя дизайн.
12. Екипите тестват дизайна си, като показват как могат да преместват бюрото/масата на 10 фута само с показалеца си.
13. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
14. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

По избор за по -големи ученици

Работете в екипи, за да проучите дали други форми на лагери могат да имат предимства пред настоящите дизайни на топки или ролки. Защо или защо не?

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

1. Дейност 1:
   - Каква беше разликата в триенето, преместващо капака по различни повърхности?
   - Коя повърхност показва най -голямо триене? Защо?
2. Дейност 2:
   - Каква беше разликата в триенето, което изпитвахте с търкалянето на мраморите
   под капака?
   - Мраморите помогнаха ли по всички повърхности? Само някои?
   - Коя повърхност, ако има такава, сега показва най -голямо триене? Защо?
3. Дейност 3:
   - Позволява ли мраморната основа за по -лесно движение, когато се добавят тежести?
   - Можете ли да измислите приложение за такова устройство?
   - Кой ще трябва да премества предмети с големи тежести? Как би помогнало това?
   - Избройте три различни машини, които включват сачмени или ролкови лагери.
4. Предизвикателство:
   - Планирахте ли проектантска работа? Защо или защо не?
   - Какви ревизии трябваше да направите в плана си, за да го направите по -ефективно решение?
   - Успяхте ли да преместите бюрото/масата само с помощта на силата от един показалец?

Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.

Какво е триене?

Как помагат сачмените лагери? 

триене

Триенето е термин, който описва колко съпротивление има за два обекта да се движат над друг. Колкото по -голямо е триенето, толкова по -трудно е двата обекта да се движат гладко. С по -малко триене обектите се движат лесно и плавно един срещу друг. Например, парче каучук би имало по -голямо триене, движещо се върху килим, отколкото гладък учебник. При машините частите се трият една в друга и повишеното триене може да износва частите по -бързо.

Лагери

Терминът сачмен лагер понякога означава лагерен възел, който използва сферични лагери като търкалящи елементи. Това също означава индивидуална топка за лагерен възел. Сачмените лагери са изработени от много различни материали, включително керамика, метали, неръждаема стомана и други хибридни материали. Те спомагат за намаляване на триенето, което поддържа машините да работят по -дълго. Те също така могат да позволят на една машина да работи по -тихо. Лагерите са проектирани на прост принцип - че обектите се търкалят по -лесно, отколкото се плъзгат. Когато два предмета се плъзгат един срещу друг, като книга на маса или буркан на килим, триенето между повърхностите забавя движението. Ако вместо това обектите биха могли да се преобърнат, тогава размерът на допирната повърхност е ограничен и така триенето намалява.

Лагери на търкалящи се елементи

Лагерът с подвижен елемент е лагер, който носи товар чрез поставяне на кръгли елементи между двете части. Относителното движение на парчетата кара кръглите елементи да се търкалят (падат) с малко плъзгане. На снимката можете да видите как топките са затворени между кръглите части. Един от най-ранните и най-известните лагери с търкалящи се елементи са комплекти от трупи, които са положени на земята с голям каменен блок отгоре. Докато камъкът се дърпа, трупите се търкалят по земята с малко плъзгащо триене. Тъй като всеки труп излиза отзад, той се премества напред, където блокът се търкаля към него. Можете да имитирате такъв лагер, като поставите няколко химикалки или моливи на маса и поставите ръката си върху тях.

Велосипеди без сачмени лагери? Ролкови влакчета без ролкови лагери?

Велосипедите са чудесен пример за машина, която използва сачмени лагери за намаляване на триенето. Сачмени лагери могат да бъдат намерени в педалите, в предните и задните главини за колелата и в тръбата, където е прикрепено кормилото. А скейтбордовете и ролковите остриета включват и сачмени лагери! Освен тези примери, сачмените лагери са важен елемент от дизайна на сондажни платформи за петрол, самолети и автомобили. Ролковите лагери се използват в американските влакчета!

История на сачмените лагери - еволюция на продукта  

История

Ранен пример за дървен сачмен лагер, поддържащ въртяща се маса, е извлечен от останките на римски кораб в езерото Неми, Италия. Развалината е датирана на 40 г. пр.н.е. Твърди се, че Леонардо да Винчи е описал вид сачмен лагер около 1500 г. Един от проблемите с лагерите е, че те могат да се търкат един в друг, причинявайки допълнително триене, но това може да бъде предотвратено чрез затваряне на топките в клетка . Заснетият или поставен в клетка сачмен лагер е описан първоначално от Галилей през 1600 -те години.

Innovation

Хенри Тимкен, визионер от 19-ти век и новатор в производството на каретки, патентова конусния ролков лагер през 1898 г. Той си представя бизнес, изграден върху решаването на критичен, вековен технически проблем: триенето, силата, която възпрепятства движението на обекти в контакт с взаимно. „Човекът, който би могъл да измисли нещо, което да намали фундаментално триенето“, отбелязва Тимкен, „ще постигне нещо от реална стойност за света“. На следващата година той създава The Timken Company, за да произвежда своята иновация.

Дизайн и подобрение на продукта

Когато Хенри започна работата си по разработването, доминиращият лагер беше равнината или „триещият“ лагер, който се използваше с малки промени от древни времена. По същество това беше метална облицовка в отвора около въртящ се вал, като основната работа за намаляване на триенето зависи от смазването. Хенри започва да експериментира с лагери, но те бързо се провалят от износване. Той стигна до заключението, че „ролковите“ лагери обещават по-голямо обещание за превозни средства, като например автомобили, тъй като теглото на товара- толкова по-тежко, отколкото на велосипед-, може да се носи по цялата дължина на ролките, за разлика от единичните точка на контакт на всяка топка в сачмени лагери. Хенри опита прави ролки, но се спря на конусни, което позволи на лагерите да поддържат сили от всички посоки. От 1899 г. The Timken Company е произвела повече от шест милиарда лагери и сега произвежда лагери от много различни видове.

Индустрии и приложения

Сферичните лагери се използват в повечето индустрии, включително в транспорта, космическата промишленост, производството, селското стопанство и спорта/забавленията. Ще намерите някои примери за сачмени или ролкови лагери, използвани в десантни колела на самолети, вятърни турбини, сателити и валцовани мелници. Миниатюрни лагери могат да бъдат намерени в медицински приложения като стоматологично оборудване.

Интернет връзки

• Американска асоциация на производителите на лагери - хронология на лагерите

Препоръчителна четене

• Тимкен: От Мисури до Марс - век на лидерство в производството (ISBN: 0875848877)
• Bicycling Science, от David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Сачмени и ролкови лагери: теория, дизайн и приложение (ISBN: 0471984523)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф, описващ три различни машини, които включват сачмени или ролкови лагери. Как използването на лагерите подобрява машината?

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:

• S. Стандарти за научно образование (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Научни стандарти от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Национален съвет на учителите по математика „Принципи и стандарти за училищна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

• Свойства на предмети и материали
• Положение и движение на обекти

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности за технологичен дизайн

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Науката като човешко начинание

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

• Свойства и промени на свойствата в материята
• Движения и сили
• Прехвърляне на енергия

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности за технологичен дизайн

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Науката като човешко начинание
• История на науката

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

• Движения и сили
• Взаимодействия на енергия и материя

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

• Способности за технологичен дизайн
• Разбиране за науката и технологиите

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

• Исторически перспективи

Научни стандарти от следващо поколение-2-5 клас (на възраст 7-11)

Материята и нейните взаимодействия

• 2-PS1-2. Анализирайте данните, получени при тестване на различни материали, за да определите кои материали имат свойствата, които са най -подходящи за определена цел.

Движение и стабилност: Сили и взаимодействия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• 3-PS2-1. Планирайте и проведете разследване, за да предоставите доказателства за въздействието на балансирани и небалансирани сили върху движението на обект.

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• 3-5-ETS1-1. Определете прост проблем при проектирането, отразяващ нужда или желание, който включва определени критерии за успех и ограничения върху материалите, времето или разходите.
• 3-5-ETS1-2.Генерирайте и сравнете множество възможни решения на проблем въз основа на това доколко всеки от тях отговаря на критериите и ограниченията на проблема.

Научни стандарти от следващо поколение-6-8 клас (на възраст 11-14)

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

• MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Технология и общество

• Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
• Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.

Дизайн

• Стандарт 8: Студентите ще развият разбиране за характеристиките на дизайна.

Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерството

Първа стъпка:

Прочетете студентските справочници, за да научите за лагерите и историята и еволюцията на сачмените и ролковите лагери.

Втора стъпка:

Работейки в групи от 3-4 ученика, опитайте да преместите предоставения ви капак върху няколко повърхности-книга, десктоп, под, килим.

Въпрос:

1. Каква беше разликата в триенето, преместващо капака по различни повърхности? Коя повърхност показва най -голямо триене? Защо?

Трета стъпка:

Поставете достатъчно мрамори в капака на буркана, за да запълните почти пространството с мрамори (не препълвайте, така че мраморите да не могат да се движат свободно). Използвайте книга, за да обърнете капака, а сега опитайте да преместите капака с мраморните „топки“, за да подпомогнете движението на капака на триене по същите повърхности, изпробвани по -рано.

въпроси:

1. Каква беше разликата в триенето, което изпитвахте с топките, които се търкаляха под капака?

2. Помогнаха ли мраморите по всички повърхности? Само някои? Коя повърхност, ако има такава, сега проявява най -голямо триене? Защо?

Стъпка четвърта:

Опитайте вариант, при който върху капака се поставя книга или друго тежест (със и без мрамори).

въпроси:

1. Позволява ли мраморната основа за по -лесно движение, когато се добавят тежести?

2. Можете ли да се сетите за приложение за такова устройство? Кой ще трябва да премества предмети с големи тежести? Как би помогнало това?

3. Избройте три различни машини, които включват сачмени или ролкови лагери.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Работен лист по желание на ученика:
Вие сте инженерът! Решаване на проблеми с ролкови лагери

Приготвяне

Вие сте инженерът! Работете в екип и разработете план с помощта на ролкови лагери, за да преместите една от вашите бюра в класната стая или маса на 10 фута с помощта на предоставените материали. Предизвикателство: ограничете силата, която прилагате, за да накарате бюрото или масата да се премести до това, което можете да натиснете, като използвате само показалеца си. Можете да използвате до 100 молива, лента.

материали

Един набор от материали за всяка група студенти:

• 100 молива
• лента
• гумени ленти
• Секция от килим или килим

Първа стъпка:

Начертайте илюстрация, показваща вашето планирано решение по -долу.

Втора стъпка:

Изпробвайте плана си! Вижте дали можете да преместите бюрото само с помощта на - инженерите работят в различни мащаби през цялото време!

въпроси:

1. Планирахте ли проектантска работа? Защо или защо не?

2. Какви ревизии трябваше да направите в плана си, за да го направите по -ефективно решение?

3. Успяхте ли да преместите бюрото/масата само с помощта на силата от един показалец?