Com arribar als seus coixinets
Aquesta lliçó explora el concepte de fricció i mostra com els coixinets de boles redueixen la fricció. Els estudiants aprenen diferents usos dels coixinets de boles, com ha canviat el disseny amb el pas del temps per incorporar coixinets de rodets, provar la fricció amb marbres i identificar l’ús dels coixinets de boles en articles quotidians.
- Obteniu informació sobre la fricció.
- Més informació sobre els coixinets de boles
- Obteniu informació sobre com els enginyers milloraven els coixinets de boles i el desenvolupament de coixinets.
- Obteniu informació sobre com s’utilitzen els rodaments de rodets / boles a les màquines i com afecta la vida quotidiana.
- Obteniu informació sobre el treball en equip i la resolució de problemes en grup.
Nivells d’edat: 8-18
Materials de construcció (per a cada equip)
Materials necessaris per a les activitats 1, 2, 3
- Tapa del pot (de maionesa o envàs similar)
- 25 marbres de mida idèntica (més gran que la profunditat de la tapa utilitzada)
- Reserva
- Secció de catifa o catifa
Materials necessaris per al repte
- 100 llapis
- Cinta
- 25 bandes de goma
Proves de materials
- Escriptori o taula petita
- Secció de catifa o catifa
materials
- Escriptori o taula petita
- Secció de catifa o catifa
Procés
Els equips posen a prova els seus dissenys mostrant com poden moure l’escriptori / taula de 10 peus només amb el dit índex.
Disseny de repte
Ets un equip d’enginyers que treballen junts per dissenyar un sistema que utilitza coixinets de rodets per moure un dels taulells de la vostra aula o una taula de 10 peus. Limiteu la força que apliqueu per fer que l'escriptori o la taula es moguin a allò que podeu empènyer només amb el dit índex.
Criteris
- Cal moure l’escriptori o la taula de 10 peus.
- Utilitzeu només el dit índex per moure l'escriptori o la taula.
Restriccions
- Només es poden utilitzar fins a 100 llapis, cinta adhesiva i 25 gomes
- Utilitzeu només els materials que se us proporcionen.
- Divideix la classe en equips de 3-4.
- Repartiu el full de treball Obtingueu els vostres coixinets, així com alguns fulls de paper per esbossar dissenys.
- Discutiu els temes a la secció Conceptes de fons. Demaneu als estudiants que sentin la força de la fricció quan intenten moure la tapa (part oberta cap avall) del pot a través de diferents superfícies: taulell d’escriptori, terra de rajoles, tros de catifa. Demaneu als estudiants que suggereixin diferents màquines que incorporin rodaments de boles o rodaments.
- Reviseu el procés de disseny d'enginyeria, el repte de disseny, els criteris, les restriccions i els materials.
- Proporcionar a cada equip els seus materials.
- Indiqueu als estudiants que realitzaran 3 activitats i després un repte.
Activitat 1: els estudiants intenten moure la tapa que se'ls proporciona sobre diverses superfícies: llibre, escriptori, terra, moqueta.
Activitat 2: els estudiants col·loquen prou marbres a la tapa del pot per quasi omplir l’espai de marbres (no s’han d’omplir excessivament perquè els marbres no puguin moure’s lliurement). A continuació, haurien d’utilitzar un llibre per capgirar la tapa i provar de moure la tapa amb les “boles” de marbre.
Activitat 3: Els estudiants proven una variació on es col·loca un llibre o un altre pes a la part superior de la tapa (amb i sense marbres). - Expliqueu que per al repte els estudiants han de dissenyar un sistema que utilitzi coixinets de rodets per moure un dels pupitres de l’aula o una taula de 10 peus. Haurien de limitar la força que apliquen perquè l’escriptori o la taula es moguin al que poden empènyer només amb el dit índex.
- Anuncieu el temps que han de dissenyar i construir (es recomana 1 hora).
- Utilitzeu un temporitzador o un cronòmetre en línia (funció de compte enrere) per assegurar-vos de mantenir-vos a temps. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Doneu als estudiants "controls de temps" periòdics perquè continuïn amb la tasca. Si tenen problemes, feu preguntes que els portin a una solució més ràpida.
- Els estudiants es reuneixen i desenvolupen un pla per al seu sistema de rodaments de rodets. Acorden els materials que necessitaran, escriuen / dibuixen el seu pla i presenten el seu pla a la classe.
- Els equips construeixen els seus dissenys.
- Els equips posen a prova els seus dissenys mostrant com poden moure l’escriptori / taula de 10 peus només amb el dit índex.
- Com a classe, discutiu les preguntes de reflexió dels estudiants.
- Per obtenir més contingut sobre el tema, consulteu la secció "Aprofundir".
Opcional per a estudiants grans
Treballeu en equip per explorar si altres formes de coixinets poden tenir avantatges sobre els dissenys actuals de boles o rodets. Per què o per què no?
Reflexió dels estudiants (quadern d’enginyeria)
- Activitat 1:
- Quina diferència hi havia en la fricció en moure la tapa per diferents superfícies?
- Quina superfície presenta més fricció? Per què? - Activitat 2:
- Quina diferència va tenir la fricció que vau experimentar amb el rodament de marbres
sota la tapa?
- Els marbres van ajudar a totes les superfícies? Només alguns?
- Quina superfície, si n’hi ha, que presenta ara més fricció? Per què? - Activitat 3:
- La base de marbre permet un moviment més fàcil quan s’afegeixen peses?
- Se us ocorre una aplicació per a un dispositiu com aquest?
- Qui necessitaria moure objectes amb pesos pesats? Com ajudaria això?
- Enumereu tres màquines diferents que incorporen rodaments de boles o rodaments. - Desafiament:
- Teníeu previst fer treballs de disseny? Per què o per què no?
- Quines revisions ha hagut de fer al seu pla per convertir-lo en una solució més eficaç?
- Heu pogut moure l’escriptori / taula utilitzant només la força d’un dit índex?
Modificació del temps
La lliçó es pot fer en només un període de classe per a estudiants més grans. Tanmateix, per ajudar els estudiants a no sentir-se precipitats i per garantir l'èxit dels estudiants (especialment per als estudiants més joves), dividiu la lliçó en dos períodes donant-los més temps per fer una pluja d'idees, provar idees i finalitzar el seu disseny. Realitzeu les proves i el resum en el següent període de classes.
Què és Friction?
Com ajuden els coixinets de boles?
Friction
Fricció és un terme que descriu la quantitat de resistència que tenen dos objectes per moure’s sobre un altre. Com més gran sigui el fregament, més difícil serà que els dos objectes es moguin sense problemes. Amb menys fricció, els objectes es mouen fàcilment i sense problemes l'un contra l'altre. Per exemple, un tros de goma tindria una fricció més gran en moure’s sobre una catifa que un llibre de text llis. A les màquines, les peces es freguen les unes amb les altres i augmentar la fricció pot desgastar les parts més ràpidament.
Rodaments de boles
El terme coixinet de boles de vegades significa un conjunt de coixinets que utilitza coixinets esfèrics com a elements rodants. També significa una bola individual per a un conjunt de coixinets. Els coixinets de boles estan fets de molts materials diferents, com ara ceràmica, metalls, acer inoxidable i altres materials híbrids. Ajuden a reduir la fricció que fa que les màquines funcionin més temps. També poden permetre que una màquina funcioni amb més tranquil·litat. Els coixinets es van dissenyar seguint un principi senzill: els objectes roden més fàcilment que llisquen. Quan dos objectes llisquen l'un contra l'altre, com un llibre sobre una taula o un pot sobre una catifa, la fricció entre les superfícies funciona per frenar el moviment. Si els objectes poguessin, en lloc d’això, rodar-se l’un sobre l’altre, llavors la quantitat d’àrea superficial que es toca és limitada i, per tant, es redueix la fricció.
Rodaments d'elements rodants
Un coixinet d’elements rodants és un coixinet que transporta una càrrega col·locant elements rodons entre les dues peces. El moviment relatiu de les peces fa que els elements rodons rodin (caiguin) amb poc lliscament. A la imatge es pot veure com les boles estan tancades entre les parts rodones. Un dels rodaments d’elements rodants més antics i més coneguts són els conjunts de troncs que es col·loquen a terra amb un gran bloc de pedra a la part superior. A mesura que s’estira la pedra, els troncs roden pel terra amb poca fricció lliscant. A mesura que cada registre surt per la part posterior, es desplaça cap a la part davantera, on el bloc hi arriba. Podeu imitar aquest coixinet col·locant diversos llapis o llapis sobre una taula i posant la mà damunt d’ells.
Bicicletes sense rodaments de boles? Muntanyes russes sense rodaments de rodets?
Les bicicletes són un gran exemple de màquina que utilitza coixinets de boles per reduir la fricció. Els rodaments de boles es poden trobar als pedals, als cubs davanters i posteriors de les rodes i al tub on s’uneixen el manillar. I els monopatins i les fulles de rodets també inclouen coixinets de boles. Més enllà d’aquests exemples, els coixinets de boles són un element de disseny important de les instal·lacions de perforació de petroli, avions i automòbils. Els rodaments de rodets s’utilitzen a les muntanyes russes!
Història del rodament de boles: evolució del producte
història
Un primer exemple de rodament de boles de fusta que suportava una taula giratòria es va recuperar de les restes d’un vaixell romà al llac Nemi, Itàlia. El naufragi es va datar al 40 aC. Es diu que Leonardo da Vinci va descriure un tipus de coixinet de boles al voltant de l'any 1500. Un dels problemes dels coixinets de boles és que es poden fregar l'un contra l'altre, provocant friccions addicionals, però això es pot evitar tancant les boles en una gàbia . El rodament de boles capturat o engabiat va ser descrit originalment per Galileo als anys 1600.
Innovació
Henry Timken, un visionari del segle XIX i innovador en la fabricació de carros, va patentar el coixinet de rodets cònic el 19. Va imaginar un negoci basat en la solució d’un problema tècnic crític i secular: la fricció, la força que impedeix el moviment d’objectes en contacte amb un altre. "L'home que pogués idear alguna cosa que reduïa fonament la fricció", va observar Timken, "aconseguiria una cosa de valor real per al món". L’any següent va formar The Timken Company per produir la seva innovació.
Disseny i millora de productes
Quan Henry va començar la seva tasca de desenvolupament, el coixinet dominant era el coixinet normal, o "fricció", que s'havia utilitzat amb pocs canvis des de l'antiguitat. Es tractava essencialment d’un revestiment metàl·lic al forat al voltant d’un eix giratori, amb el treball principal de reducció de la fricció en funció de la lubricació. Henry va començar a experimentar amb rodaments de boles, però van fracassar ràpidament pel desgast. Va concloure que els coixinets "rodets" eren més prometedors per als vehicles, com ara els automòbils, perquè el pes de la càrrega -molt més pesat que en una bicicleta- es podia transportar al llarg de tota la longitud dels rodets, a diferència del senzill punt de contacte de cada bola en rodaments de boles. Henry va provar rodets rectes però es va instal·lar en forma cònica, cosa que permetia als rodaments mantenir forces de totes direccions. Des de 1899, The Timken Company ha produït més de sis mil milions de rodaments i ara fabrica rodaments de molts tipus diferents.
Indústries i aplicacions
Els coixinets de boles s’utilitzen a la majoria d’indústries, incloses les de transport, aeroespacial, fabricació, agricultura i esports / entreteniment. Trobareu alguns exemples de rodaments de boles o rodets que s’utilitzen en rodes d’aterratge d’avions, aerogeneradors, satèl·lits i laminadors. Els coixinets en miniatura es poden trobar en aplicacions mèdiques, com ara equips dentals.
Connexions a Internet
lectura recomanada
- Timken: De Missouri a Mart: un segle de lideratge en la fabricació (ISBN: 0875848877)
- Bicycling Science, de David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
- Rodaments de boles i rodets: teoria, disseny i aplicació (ISBN: 0471984523)
Activitat d’escriptura
Escriviu un assaig o un paràgraf que descrigui tres màquines diferents que incorporin rodaments de boles o rodaments. Com millora l'ús dels coixinets de la màquina?
Alineació als marcs d’estudis
Nota: Els plans de lliçons d'aquesta sèrie estan alineats amb un o més dels següents conjunts d'estàndards:
- S. Normes d’educació científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Estàndards científics de nova generació (http://www.nextgenscience.org/)
- Normes de l'alfabetització tecnològica de l'Associació Internacional d'Educació Tecnològica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Principis i estàndards per a les matemàtiques escolars del Consell Nacional de Professors de Matemàtiques (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Normes bàsiques comunes estatals de matemàtiques (http://www.corestandards.org/Math)
- Associació de Professors d'Informàtica K-12 Normes d'Informàtica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Normes nacionals d’educació científica Graus K-4 (4-9 anys)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les seves activitats, tots els estudiants haurien de comprendre
- Propietats d'objectes i materials
- Posició i moviment dels objectes
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- La ciència com a esforç humà
Normes nacionals d’educació científica Cicles 5-8 (edats 10-14)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les seves activitats, tots els estudiants haurien de comprendre
- Propietats i canvis de propietats en la matèria
- Moviments i forces
- Transferència d'energia
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- La ciència com a esforç humà
- Història de la ciència
Normes nacionals d’educació científica Cicles 9-12 (edats 14-18)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les seves activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Moviments i forces
- Interaccions d'energia i matèria
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
- Comprensions sobre ciència i tecnologia
Normes nacionals d’educació científica Cicles 9-12 (edats 14-18)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT F: Ciència en perspectives personals i socials
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Ciència i tecnologia en els reptes locals, nacionals i globals
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Perspectives històriques
Estàndards científics de nova generació: 2n a 5è graus (7-11 anys)
La matèria i les seves interaccions
- 2-PS1-2. Analitzeu les dades obtingudes de la prova de diferents materials per determinar quins materials tenen les propietats més adequades per al propòsit previst.
Moviment i estabilitat: forces i interaccions
Els estudiants que demostren comprensió poden:
- 3-PS2-1. Planifiqueu i realitzeu una investigació per proporcionar proves dels efectes de les forces equilibrades i desequilibrades sobre el moviment d’un objecte.
Disseny d'Enginyeria
Els estudiants que demostren comprensió poden:
- 3-5-ETS1-1. Definiu un problema de disseny senzill que reflecteixi una necessitat o un desig que inclogui criteris d'èxit i restriccions en materials, temps o costos.
- 3-5-ETS1-2. Genereu i compareu diverses solucions possibles a un problema en funció de la probabilitat que cadascú compleixi els criteris i les limitacions del problema.
Estàndards científics de nova generació: 6n a 8è graus (11-14 anys)
Disseny d'Enginyeria
Els estudiants que demostren comprensió poden:
- MS-ETS1-2 Avalueu solucions de disseny competents mitjançant un procés sistemàtic per determinar fins a quin punt compleixen els criteris i les limitacions del problema.
Normes d’alfabetització tecnològica: totes les edats
Tecnologia i societat
- Estàndard 6: els estudiants desenvoluparan una comprensió del paper de la societat en el desenvolupament i ús de la tecnologia.
- Estàndard 7: els estudiants desenvoluparan una comprensió de la influència de la tecnologia en la història.
disseny
- Estàndard 8: els estudiants desenvoluparan una comprensió dels atributs del disseny.
Estàndard 9: els estudiants desenvoluparan una comprensió de l’enginyeria
Pas 1:
Llegiu els fulls de referència per a estudiants per conèixer els coixinets i la història i evolució dels coixinets de boles i rodets.
Segon pas:
Treballant en grups de 3-4 estudiants, proveu de moure la tapa que us proporcionem sobre diverses superfícies: llibre, escriptori, terra, moqueta.
Pregunta:
- Quina diferència hi havia en la fricció en moure la tapa per diferents superfícies? Quina superfície presenta més fricció? Per què?
Pas tres:
Col·loqueu prou marbres a la tapa del pot per gairebé omplir l'espai de marbres (no ompliu-lo excessivament perquè els marbres no puguin moure's lliurement). Feu servir un llibre per capgirar la tapa i, ara, proveu de moure la tapa amb les "boles" de marbre que us ajudaran amb els moviments de la tapa de fricció sobre les mateixes superfícies provades anteriorment.
Preguntes:
- Quina era la diferència en la fricció que vau experimentar amb els marbres rodant sota la tapa?
- Els marbres van ajudar a totes les superfícies? Només alguns? Quina superfície, si n’hi ha, que presenta ara més fricció? Per què?
Quatre pas:
Proveu una variació on es col·loqui un llibre o un altre pes sobre la tapa (amb i sense marbres).
Preguntes:
- La base de marbre permet un moviment més fàcil quan s’afegeixen peses?
- Se us ocorre una aplicació per a un dispositiu com aquest? Qui hauria de moure objectes amb pesos pesats? Com ajudaria això?
- Enumereu tres màquines diferents que incorporen rodaments de boles o rodaments.
1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________
Full de treball per a estudiants opcional:
Ets l’enginyer! Solució de problemes amb rodaments de rodets
instruccions
Vostè és l’enginyer! Treballeu en equip i elaboreu un pla amb rodaments de rodets per moure un dels vostres escriptoris de l’aula o una taula de 10 peus amb els materials proporcionats. Desafiament: limiteu la força que apliqueu per fer moure l’escriptori o la taula a allò que podeu empènyer només amb el dit índex. Podeu utilitzar fins a 100 llapis, cinta adhesiva.
materials
Un conjunt de materials per a cada grup d'estudiants:
- 100 llapis
- cinta
- bandes de goma
- Secció de catifa o catifa
Pas 1:
Dibuixeu una il·lustració que mostri la vostra solució prevista a continuació.
|
Segon pas:
Proveu el vostre pla. Mireu si només podeu moure l’escriptori: els enginyers treballen constantment a diferents escales.
Preguntes:
- Teníeu previst un treball de disseny? Per què o per què no?
- Quines revisions ha hagut de fer al seu pla per convertir-lo en una solució més eficaç?
- Heu pogut moure l’escriptori / taula utilitzant només la força d’un dit índex?
Traducció del pla de lliçons