Dobijanje ležajeva

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potrebni materijali za aktivnosti 1, 2, 3

• Poklopac staklenke (od majoneze ili sličnog spremnika)
• 25 klikera identične veličine (veće od dubine korištenog poklopca)
• Rezervišite
• Dio tepiha ili tepiha 

Potrebni materijali za izazov

• 100 olovaka
• Traka
• 25 gumica

Materijali za ispitivanje

• Stol ili mali sto
• Dio tepiha ili tepiha

Materijali

• Stol ili mali sto
• Dio tepiha ili tepiha

proces

Timovi testiraju svoje dizajne pokazujući kako mogu pomicati stol/stol 10 stopa samo s kažiprstom.

Dizajn izazov

Vi ste tim inženjera koji zajedno rade na dizajniranju sistema pomoću valjkastih ležajeva za pomicanje jedne vaše učionice ili stola za 10 stopa. Ograničite silu koju primjenjujete da bi se stol ili stol pomaknuo na ono što možete pritisnuti samo kažiprstom.

kriteriji

• Morate pomeriti radni sto ili sto 10 stopa.
• Za pomicanje stola ili stola koristite samo kažiprst.

Ograničenja

• Može se koristiti samo do 100 olovaka, traka i 25 gumica
• Koristite samo materijale koji su vam dati.

1. Razbijte razred u timove od 3-4.
2. Podijelite radni list Getting your Bearings, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
3. Raspravljajte o temama u odjeljku Pozadinski koncepti. Zamolite učenike da osjete snagu trenja pri pokušaju pomicanja poklopca (otvorenog dijela prema dolje) staklenke na različitim površinama: radna površina, pod od pločica, komad tepiha. Zamolite učenike da predlože različite mašine koje sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.
4. Pregledajte postupak inženjerskog dizajna, izazov za dizajn, kriterije, ograničenja i materijale.
5. Obezbedite svaki tim svojim materijalima.
6. Recite učenicima da će dovršiti 3 aktivnosti, a zatim izazov.
   Aktivnost 1: Učenici pokušavaju premjestiti poklopac koji im je dat na nekoliko površina - knjigu, radnu površinu, pod, tepih.
   Aktivnost 2: Učenici stavljaju dovoljno klikera u poklopac staklenke da prostor skoro ispune klikerima (ne smiju ga pretrpati tako da se klikeri ne mogu slobodno kretati). Zatim bi trebali koristiti knjigu da okrenu poklopac, a zatim pokušati pomaknuti poklopac s mramornim "kuglicama".
   Aktivnost 3: Učenici isprobavaju varijaciju u kojoj se knjiga ili druga težina stavlja na vrh poklopca (sa i bez klikera).
7. Objasnite da za izazov studenti moraju dizajnirati sistem koji koristi valjkaste ležajeve za pomicanje jedne od učionica ili stola za 10 stopa. Trebali bi ograničiti silu koju primjenjuju da bi se stol ili stol pomaknuli na ono što mogu pritisnuti samo kažiprstom.
8. Najavite koliko im vremena treba za dizajn i izgradnju (preporučuje se 1 sat).
9. Upotrijebite tajmer ili on-line štopericu (funkcija odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovne „vremenske provjere“ kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
10. Učenici se sastaju i izrađuju plan svog sistema valjkastih ležajeva. Dogovaraju se o materijalima koji će im biti potrebni, pišu/crtaju svoj plan i prezentiraju svoj plan razredu.
11. Timovi grade svoje dizajne.
12. Timovi testiraju svoje dizajne pokazujući kako mogu pomicati stol/stol 10 stopa samo s kažiprstom.
13. Kao razred, razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
14. Za više sadržaja o temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Fakultativno za starije studente

Radite u timovima kako biste istražili mogu li drugi oblici ležajeva imati prednosti u odnosu na trenutni dizajn kuglica ili valjaka. Zašto ili zašto ne?

Refleksija učenika (inženjerska sveska)

1. Aktivnost 1:
   - Koja je razlika u trenju pri pomicanju poklopca po različitim površinama?
   - Koja je površina pokazala najveće trenje? Zašto?
2. Aktivnost 2:
   - Koja je bila razlika u trenju koje ste iskusili s valjanjem klikera
   ispod poklopca?
   - Jesu li klikeri pomogli na svim površinama? Samo neke?
   - Na kojoj je površini, ako postoji, sada izloženo najviše trenja? Zašto?
3. Aktivnost 3:
   - Omogućuje li mramorna baza lakše kretanje kad se dodaju utezi?
   - Možete li smisliti aplikaciju za ovakav uređaj?
   - Ko bi trebao premještati predmete velike težine? Kako bi ovo pomoglo?
   - Navedite tri različite mašine koje sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.
4. Izazov:
   - Jeste li planirali dizajnerske radove? Zašto ili zašto ne?
   - Koje ste izmjene i dopune morali napraviti u svom planu kako biste ga učinili učinkovitijim rješenjem?
   - Jeste li mogli pomaknuti stol/stol koristeći samo silu s jednog kažiprsta?

Lekcija se može izvoditi za samo 1 čas za starije učenike. Međutim, da biste učenicima pomogli da se osjećaju požurivano i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući učenicima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Sprovedite testiranje i brifing u narednom periodu nastave.

Šta je trenje?

Kako pomažu kuglični ležajevi? 

Trenje

Trenje je pojam koji opisuje koliki otpor postoji za kretanje dva objekta nad drugim. Što je veće trenje, to se dva objekta teže kreću glatko. Uz manje trenja, objekti se lako i glatko kreću jedan protiv drugog. Na primjer, komad gume imao bi veće trenje pri kretanju po tepihu nego glatki udžbenik. U mašinama se dijelovi trljaju jedan o drugi i povećano trenje može brže istrošiti dijelove.

kugličnim ležajevima

Izraz kuglični ležaj ponekad označava ležajni sklop koji koristi sferne ležajeve kao valjačke elemente. To također znači pojedinačnu kuglu za sklop ležaja. Kuglični ležajevi izrađeni su od mnogo različitih materijala, uključujući keramiku, metale, nehrđajući čelik i druge hibridne materijale. Pomažu u smanjenju trenja zbog čega mašine duže rade. Takođe mogu omogućiti mašini da radi tiše. Ležajevi su dizajnirani po jednostavnom principu - da se predmeti lakše kotrljaju nego klize. Kada dva predmeta klize jedan protiv drugog, poput knjige na stolu ili staklenke na tepihu, trenje između površina usporava kretanje. Ako bi se objekti umjesto toga mogli prevrtati jedan preko drugog, tada je količina površine koja se dodiruje ograničena i tako se smanjuje trenje.

Ležajevi kotrljajućih elemenata

Ležaj s kotrljajućim ležajevima je ležaj koji nosi teret postavljanjem okruglih elemenata između dva dijela. Relativno kretanje komada uzrokuje kotrljanje okruglih elemenata s malim klizanjem. Na slici možete vidjeti kako su loptice zatvorene između okruglih dijelova. Jedan od najranijih i najpoznatijih ležajeva kotrljajućih elemenata su kompleti trupaca koji su položeni na tlo s velikim kamenim blokom na vrhu. Dok se kamen povlači, trupci se kotrljaju po tlu s malim klizanjem. Kako svaki trupac izlazi straga, pomiče se prema naprijed gdje se blok zatim kotrlja na njega. Takav ležaj možete imitirati postavljanjem nekoliko olovaka ili olovaka na stol i stavljanjem ruke na njih.

Bicikli bez kugličnih ležajeva? Tobogani bez valjkastih ležajeva?

Bicikli su odličan primjer stroja koji koristi kuglične ležajeve za smanjenje trenja. Kuglični ležajevi mogu se naći u pedalama, u prednjim i stražnjim glavčinima za kotače i u cijevi na kojoj je pričvršćen upravljač. A skejtbord i valjci takođe imaju kuglične ležajeve! Osim ovih primjera, kuglični ležajevi su važan element dizajna bušaćih platformi za naftu, aviona i automobila. Valjkasti ležajevi se koriste u rolerkosterima!

Povijest kugličnih ležajeva - evolucija proizvoda  

istorija

Prvi primjer drvenog kugličnog ležaja koji podržava rotirajući stol izvučen je iz ostataka rimskog broda u jezeru Nemi u Italiji. Olupina je datirana u 40. pne. Za Leonarda da Vincija se kaže da je opisao vrstu kugličnog ležaja oko 1500. godine. Jedan od problema sa kugličnim ležajevima je taj što se mogu trljati jedan o drugi, uzrokujući dodatno trenje, ali to se može spriječiti zatvaranjem kuglica u kavez . Uhvaćeni ili zatvoreni kuglični ležaj prvobitno je opisao Galileo 1600 -ih.

Inovacija

Henry Timken, vizionar i inovator u proizvodnji kolica iz 19. stoljeća, patentirao je konusni valjkasti ležaj 1898. Zamislio je posao izgrađen na rješavanju kritičnog, vjekovnog tehničkog problema: trenje, sila koja ometa kretanje objekata u dodiru sa jedan drugog. "Čovjek koji je mogao smisliti nešto što bi u osnovi smanjilo trenje", primijetio je Timken, "postigao bi nešto od stvarne vrijednosti za svijet." Sljedeće godine osnovao je Timken Company kako bi proizveo svoju inovaciju.

Dizajn i poboljšanje proizvoda

Kad je Henry započeo svoj razvoj, dominantni ležaj bio je klizni ležaj ili ležaj koji se koristio s malim promjenama od davnina. To je u osnovi bio metalni omotač u rupi oko rotirajućeg vratila, s glavnim radom smanjenja trenja ovisno o podmazivanju. Henry je počeo eksperimentirati s kugličnim ležajevima, ali su oni brzo istrošeni. Zaključio je da se "valjkasti" ležajevi više obećavaju za vozila, poput automobila, jer se težina tereta- toliko veća nego na biciklu- mogla nositi po cijeloj dužini valjaka, za razliku od pojedinačnih dodirna tačka svake kuglične ležajeve. Henry je isprobao prave valjke, ali se zadržao na konusnim, što je omogućilo ležajevima da izdrže sile iz svih smjerova. Timken Company je od 1899. godine proizvela više od šest milijardi ležajeva, a sada proizvodi ležajeve različitih vrsta.

Industrije i aplikacije

Kuglični ležajevi se koriste u većini industrija, uključujući transport, vazduhoplovstvo, proizvodnju, poljoprivredu i sport/zabavu. Naći ćete neke primjere kugličnih ili valjkastih ležajeva koji se koriste u desantnim kotačima aviona, vjetroturbinama, satelitima i valjaonicama. Minijaturni ležajevi mogu se naći u medicinskim aplikacijama, poput stomatološke opreme.

Internet Connections

• Američko udruženje proizvođača ležajeva - Vremenski okvir ležajeva

Preporučeno čitanje

• Timken: Od Missourija do Marsa - stoljeće liderstva u proizvodnji (ISBN: 0875848877)
• Nauka o biciklizmu, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Kuglični i valjkasti ležajevi: teorija, dizajn i primjena (ISBN: 0471984523)

Aktivnost pisanja

Napišite esej ili odlomak koji opisuje tri različite mašine koje sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve. Kako upotreba ležajeva poboljšava stroj?

Usklađivanje sa okvirnim programima

Bilješka: Planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s jednim ili više sljedećih skupova standarda:

• S. Standardi za naučno obrazovanje (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Naučni standardi sljedeće generacije (http://www.nextgenscience.org/)
• Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nacionalno vijeće nastavnika matematike „Principi i standardi za školsku matematiku“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Uobičajeni osnovni državni standardi za matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Udruženje nastavnika informatike K-12 Standardi računarske nauke (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nacionalni standardi naučnog obrazovanja Razredi K-4 (uzrast 4-9 godina)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizičke nauke

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Svojstva predmeta i materijala
• Položaj i kretanje predmeta

SADRŽAJ STANDARD E: Nauka i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi se trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD G: Istorija i priroda nauke

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Nauka kao ljudski poduhvat

Nacionalni standardi naučnog obrazovanja Razredi 5-8 (uzrast 10-14 godina)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizičke nauke

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Svojstva i promjene svojstava u materiji
• Pokreti i sile
• Prijenos energije

SADRŽAJ STANDARD E: Nauka i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi se trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD G: Istorija i priroda nauke

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Nauka kao ljudski poduhvat
• Istorija nauke

Nacionalni standardi naučnog obrazovanja Razredi 9-12 (uzrast 14-18 godina)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizičke nauke

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Pokreti i sile
• Interakcije energije i materije

SADRŽAJ STANDARD E: Nauka i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi se trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna
• Razumijevanje nauke i tehnologije

Nacionalni standardi naučnog obrazovanja Razredi 9-12 (uzrast 14-18 godina)

SADRŽAJ STANDARD F: Nauka u ličnoj i socijalnoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Nauka i tehnologija u lokalnim, nacionalnim i globalnim izazovima

SADRŽAJ STANDARD G: Istorija i priroda nauke

Kao rezultat aktivnosti, svi učenici bi trebali razviti razumijevanje

• Istorijske perspektive

Naučni standardi sljedeće generacije - 2-5. Razred (dob 7-11)

Materija i njene interakcije

• 2-PS1-2. Analizirajte podatke dobijene ispitivanjem različitih materijala kako biste utvrdili koji materijali imaju svojstva koja su najprikladnija za predviđenu svrhu.

Kretanje i stabilnost: Sile i interakcije

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 3-PS2-1. Planirajte i provedite istragu kako biste pružili dokaze o efektima uravnoteženih i neuravnoteženih sila na kretanje predmeta.

Inženjerski dizajn

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 3-5-ETS1-1.Definirajte jednostavan dizajn problem koji odražava potrebu ili želju koji uključuje određene kriterije za uspjeh i ograničenja na materijale, vrijeme ili troškove.
• 3-5-ETS1-2. Generirajte i uporedite više mogućih rješenja problema na osnovu toga koliko je vjerojatno da će svako zadovoljiti kriterije i ograničenja problema.

Naučni standardi sljedeće generacije - 6-8. Razred (dob 11-14)

Inženjerski dizajn

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• MS-ETS1-2 Procijenite konkurentska rješenja dizajna pomoću sistematskog postupka kako biste utvrdili koliko dobro zadovoljavaju kriterije i ograničenja problema.

Standardi za tehnološku pismenost - sva doba

Tehnologija i društvo

• Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i upotrebi tehnologije.
• Standard 7: Studenti će razviti razumijevanje uticaja tehnologije na istoriju.

dizajn

• Standard 8: Studenti će razviti razumijevanje svojstava dizajna.

Standard 9: Studenti će razviti razumijevanje inženjerstva

Prvi korak:

Pročitajte učeničke referentne listove da biste saznali o ležajevima te istoriji i evoluciji kugličnih i valjkastih ležajeva.

Drugi korak:

Radeći u grupama od 3-4 učenika, pokušajte premjestiti poklopac koji vam je dat na nekoliko površina-knjigu, radnu površinu, pod, tepih.

Pitanje:

1. Koja je razlika u trenju pri pomicanju poklopca po različitim površinama? Koja je površina pokazala najveće trenje? Zašto?

Treći korak:

Stavite taman toliko klikera u poklopac staklenke da gotovo ispuni prostor klikerima (nemojte ga puniti previše da se klikeri ne bi mogli slobodno kretati). Okrenite poklopac pomoću knjige, a sada pokušajte premjestiti poklopac s mramornim „kuglicama“ pružajući pomoć pri pomicanju poklopca od trenja po istim površinama koje ste prethodno pokušali.

Pitanja:

1. Koja je razlika u trenju koje ste iskusili sa klikerima koji su se kotrljali ispod poklopca?

2. Jesu li klikeri pomogli na svim površinama? Samo neke? Na kojoj je površini, ako postoji, sada izloženo najviše trenja? Zašto?

Korak četvrti:

Isprobajte varijaciju u kojoj se na vrh poklopca stavlja knjiga ili drugi uteg (sa i bez klikera).

Pitanja:

1. Omogućuje li mramorna baza lakše kretanje kad se dodaju utezi?

2. Možete li smisliti aplikaciju za ovakav uređaj? Ko bi trebao premještati predmete velike težine? Kako bi ovo pomoglo?

3. Navedite tri različite mašine koje sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Fakultativni radni list za studente:
Vi ste inženjer! Rješavanje problema s valjkastim ležajevima

instrukcije

Vi ste inženjer! Radite u timu i osmislite plan pomoću valjkastih ležajeva za pomicanje jedne od vaših učionica ili stola 10 stopa pomoću priloženog materijala. Izazov: ograničite silu koju primjenjujete da bi se stol ili stol pomaknuo na ono što možete pritisnuti samo kažiprstom. Možete koristiti do 100 olovaka, traka.

Materijali

Jedan set materijala za svaku grupu učenika:

• 100 olovaka
• traka
• gumene trake
• Dio tepiha ili tepiha

Prvi korak:

U nastavku nacrtajte ilustraciju koja prikazuje vaše planirano rješenje.

Drugi korak:

Isprobajte svoj plan! Provjerite možete li pomicati radni stol samo pomoću - inženjeri stalno rade u različitim razmjerima!

Pitanja:

1. Jeste li planirali dizajnerske radove? Zašto ili zašto ne?

2. Koje ste izmjene morale napraviti u svom planu kako biste ga učinili učinkovitijim rješenjem?

3. Jeste li mogli pomaknuti stol/stol koristeći samo silu s jednog kažiprsta?