Orientace

Stavět materiály (pro každý tým)

Požadované materiály pro činnosti 1, 2, 3

• Víko nádoby (z majonézy nebo podobné nádoby)
• 25 stejně velkých kuliček (větší než použitá hloubka víka)
• rezervovat
• Sekce koberce nebo koberce 

Požadované materiály pro výzvu

• 100 tužek
• Pohlavek
• 25 gumiček

Testovací materiály

• Stůl nebo malý stůl
• Sekce koberce nebo koberce

Materiály

• Stůl nebo malý stůl
• Sekce koberce nebo koberce

Proces

Týmy testují své návrhy tím, že ukazují, jak mohou pohybovat stolem/stolem o 10 stop pouze pomocí ukazováčku.

Design Challenge

Jste tým inženýrů, kteří společně pracují na návrhu systému, který pomocí válečkových ložisek přesune jeden z učeben nebo stůl o 10 stop. Omezte sílu, kterou vyvíjíte, aby se stůl nebo stůl přesunul na to, na co můžete tlačit pouze pomocí ukazováčku.

Kritéria

• Musíte přesunout stůl nebo stůl o 10 stop.
• K pohybu stolu nebo stolu používejte pouze ukazováček.

Omezení

• Lze použít pouze až 100 tužek, pásek a 25 gumiček
• Používejte pouze materiály, které vám byly poskytnuty.

1. Rozdělte třídu na týmy po 3-4.
2. Rozdejte pracovní list Získání ložisek a také několik listů papíru pro skicování návrhů.
3. Diskutujte o tématech v části Pojmy na pozadí. Požádejte studenty, aby pocítili sílu tření, když se pokoušejí pohybovat víkem (otevřenou částí dolů) nádoby po různých površích: deska stolu, dlažba, kus koberce. Požádejte studenty, aby navrhli různé stroje, které obsahují kuličková ložiska nebo válečková ložiska.
4. Prohlédněte si Engineering Engineering Process, Design Challenge, Criteria, Constraints and Materials.
5. Poskytněte každému týmu své materiály.
6. Ukažte studentům, že budou absolvovat 3 činnosti a poté výzvu.
   Aktivita 1: Studenti si zkusí přesunout poskytnuté víko na několik povrchů - kniha, pracovní plocha, podlaha, koberec.
   Aktivita 2: Studenti umístí do víčka nádoby tolik kuliček, aby téměř vyplnily prostor kuličkami (neměly by ji přeplňovat, aby se kuličky nemohly volně pohybovat). Dále by měli pomocí knihy otočit víko a poté zkusit víko posunout pomocí mramorových „koulí“.
   Aktivita 3: Studenti vyzkouší variantu, kdy je na víko umístěna kniha nebo jiné závaží (s kuličkami i bez nich).
7. Vysvětlete, že pro tuto výzvu musí studenti navrhnout systém, který pomocí válečkových ložisek přesune jeden ze školních lavic nebo stůl o 10 stop. Měli by omezit sílu, kterou působí na to, aby se stůl nebo stůl pohybovaly na to, na co mohou tlačit pouze pomocí ukazováčku.
8. Oznamte dobu, kterou musí navrhnout a postavit (doporučeno 1 hodinu).
9. Použijte časovač nebo online stopky (funkce odpočítávání), abyste si udrželi čas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Poskytněte studentům pravidelné „časové kontroly“, aby zůstali na úkolu. Pokud se potýkají, zeptejte se na otázky, které je dovedou rychleji k řešení.
10. Studenti se setkají a vypracují plán svého systému válečkových ložisek. Dohodnou se na materiálech, které budou potřebovat, napíšou/nakreslí svůj plán a předloží svůj plán třídě.
11. Týmy vytvářejí své návrhy.
12. Týmy testují své návrhy tím, že ukazují, jak mohou pohybovat stolem/stolem o 10 stop pouze pomocí ukazováčku.
13. Jako třída diskutujte o studentových reflexních otázkách.
14. Další obsah k tomuto tématu naleznete v části „Kopání hlouběji“.

Volitelné pro starší studenty

Pracujte v týmech a prozkoumejte, zda by jiné tvary ložisek mohly mít výhody oproti současnému designu kuliček nebo válečků. Proč nebo proč ne?

Studentská reflexe (technický notebook)

1. Aktivita 1:
   - Jaký byl rozdíl ve tření při pohybu víka po různých površích?
   - Který povrch vykazoval největší tření? Proč?
2. Aktivita 2:
   - Jaký byl rozdíl ve tření, které jste zažili při válcování kuliček
   pod víkem?
   - Pomohly kuličky na všech površích? Pouze některé?
   - Který povrch, pokud vůbec nějaký, nyní vykazoval největší tření? Proč?
3. Aktivita 3:
   - Umožňuje mramorová základna snadnější pohyb po přidání závaží?
   - Napadá vás aplikace pro takové zařízení?
   - Kdo by potřeboval přesunout předměty s těžkými váhami? Jak by to pomohlo?
   - Seznam tří různých strojů, které obsahují kuličková ložiska nebo válečková ložiska.
4. Challenge:
   - Plánovali jste projekční práce? Proč nebo proč ne?
   - Jaké revize jste museli provést ve svém plánu, aby bylo účinnějším řešením?
   - Dokázali jste přesunout stůl/stůl pouze silou z jednoho ukazováčku?

Lekci lze u starších studentů absolvovat za pouhou 1 hodinu. Aby však studentům pomohl cítit spěch a zajistil studentský úspěch (zejména u mladších studentů), rozdělte lekci na dvě období a dejte studentům více času na brainstorming, testování nápadů a dokončení jejich designu. Proveďte testování a vysvětlení v příštím semestru.

Co je tření?

Jak kuličková ložiska pomáhají? 

Tření

Tření je termín, který popisuje, jak velký odpor mají dva objekty k přesunu přes jiný. Čím větší je tření, tím obtížněji se oba objekty pohybují hladce. S menším třením se objekty pohybují proti sobě snadno a plynule. Například kus gumy by měl větší tření při pohybu po koberci než hladká učebnice. Ve strojích se části o sebe otírají a zvýšené tření může díly rychleji opotřebovat.

Kuličková ložiska

Pojem kuličkové ložisko někdy znamená ložiskovou sestavu, která používá jako valivá tělesa soudečková ložiska. To také znamená individuální kuličku pro ložiskovou sestavu. Kuličková ložiska jsou vyrobena z mnoha různých materiálů, včetně keramiky, kovů, nerezové oceli a dalších hybridních materiálů. Pomáhají snižovat tření, což udržuje stroje v provozu déle. Mohou také dovolit stroji pracovat tišeji. Ložiska byla navržena na jednoduchém principu - objekty se snáze pohybují, než klouzají. Když dva předměty kloužou proti sobě, jako kniha na stole nebo sklenice na koberci, tření mezi povrchy zpomalí pohyb. Pokud by se předměty místo toho mohly převalovat přes sebe, pak je množství dotykové plochy omezené a tím se sníží tření.

Valivá ložiska

Valivé ložisko je ložisko, které nese zatížení umístěním kulatých prvků mezi dva kusy. Relativní pohyb kusů způsobuje, že se kulaté prvky pohybují (bubnují) s malým klouzáním. Na obrázku vidíte, jak jsou koule obaleny mezi kulatými částmi. Jedním z prvních a nejznámějších valivých ložisek jsou sady kulatiny, které jsou položeny na zem s velkým kamenným blokem nahoře. Jak je kámen tažen, kulatina se valí po zemi s malým kluzným třením. Jak každý protokol vychází ze zadní části, je přesunut dopředu, kde se na něj pak blok valí. Takové ložisko můžete napodobit tak, že na stůl položíte několik per nebo tužek a položíte na ně ruku.

Jízdní kola bez kuličkových ložisek? Horské dráhy bez válečkových ložisek?

Jízdní kola jsou skvělým příkladem stroje, který využívá kuličková ložiska ke snížení tření. Kuličková ložiska najdete v pedálech, v předních a zadních nábojích kol a v trubce, kde jsou připevněna řídítka. A skateboardy a válečkové lopatky obsahují také kuličková ložiska! Kromě těchto příkladů jsou kuličková ložiska důležitým konstrukčním prvkem ropných vrtných souprav, letadel a automobilů. Válečková ložiska se používají v horských drahách!

Historie kuličkových ložisek - vývoj produktu  

Historie

Časný příklad dřevěného kuličkového ložiska nesoucího otočný stůl byl získán z pozůstatků římské lodi v italském jezeře Nemi. Vrak byl datován do roku 40 př. N. L. Leonardo da Vinci údajně popsal typ kuličkových ložisek kolem roku 1500. Jedním z problémů kuličkových ložisek je to, že se o sebe mohou třít, což způsobuje další tření, ale tomu lze zabránit uzavřením kuliček do klece . Zachycené nebo v kleci uložené kuličkové ložisko bylo původně popsáno Galileem v 1600s.

Inovace

Henry Timken, vizionář a inovátor 19. století ve výrobě vozíků, si v roce 1898 nechal patentovat kuželíková ložiska. Představil si firmu postavenou na řešení kritického, letitého technického problému: tření, síly, která brání pohybu předmětů v kontaktu s navzájem. "Muž, který by dokázal vymyslet něco, co by zásadně snížilo tření," poznamenal Timken, "by dosáhl něčeho, co má pro svět skutečnou hodnotu." Následující rok založil společnost The Timken Company, aby produkoval své inovace.

Design a vylepšení produktu

Když Henry začínal s vývojem, dominovalo ložisko kluzné nebo „třecí“, které se od starověku používalo s malými změnami. Byla to v podstatě kovová vložka v otvoru kolem rotujícího hřídele, přičemž hlavní prací bylo snížení tření v závislosti na mazání. Henry začal experimentovat s kuličkovými ložisky, ale jejich opotřebení rychle selhalo. Došel k závěru, že „válečková“ ložiska představují větší příslib pro vozidla, jako jsou automobily, protože hmotnost nákladu- mnohem těžšího než na kole- by bylo možné přenášet po celé délce válečků, na rozdíl od jediného bod kontaktu na každé kouli v kuličkových ložiscích. Henry zkoušel rovné válečky, ale usadil se na zužující se, což umožňovalo ložiskům udržet síly ze všech směrů. Od roku 1899 vyrobila společnost The Timken Company více než šest miliard ložisek a nyní vyrábí ložiska mnoha různých typů.

Odvětví a aplikace

Kuličková ložiska se používají ve většině průmyslových odvětví, včetně dopravy, letectví, výroby, zemědělství a sportu/zábavy. Najdete zde několik příkladů kuličkových nebo válečkových ložisek používaných v přistávacích kolech letadel, větrných turbínách, satelitech a válcovnách. Miniaturní ložiska lze nalézt v lékařských aplikacích, jako je zubní vybavení.

Připojení k internetu

• Americká asociace výrobců ložisek - časová osa ložiska

Doporučená literatura

• Timken: From Missouri to Mars - A Century of Leadership in Manufacturing (ISBN: 0875848877)
• Bicycling Science, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Kuličková a válečková ložiska: Teorie, design a aplikace (ISBN: 0471984523)

Psací činnost

Napište esej nebo odstavec popisující tři různé stroje, které obsahují kuličková ložiska nebo válečková ložiska. Jak použití ložisek zlepšuje stroj?

Sladění s rámcovými osnovami

Poznámka: Plány lekcí v této sérii jsou sladěny s jednou nebo více z následujících sad standardů:

• Standardy vědeckého vzdělávání (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Vědecké standardy příští generace (http://www.nextgenscience.org/)
• Normy Mezinárodní technologické vzdělávací asociace pro technologickou gramotnost (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Národní rada učitelů matematiky, principy a standardy pro školní matematiku (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Společné základní státní standardy pro matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Sdružení učitelů informatiky K-12 Standardy počítačových věd (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky K-4 (věk 4-9)

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku svých aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Vlastnosti předmětů a materiálů
• Poloha a pohyb předmětů

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda jako lidské úsilí

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 5-8 (věk 10-14)

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku svých aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Vlastnosti a změny vlastností v hmotě
• Pohyby a síly
• Přenos energie

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda jako lidské úsilí
• Dějiny vědy

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 9-12 (věk 14-18)

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku své činnosti by si všichni studenti měli porozumět

• Pohyby a síly
• Interakce energie a hmoty

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu
• Porozumění vědě a technice

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 9-12 (věk 14-18)

OBSAH STANDARD F: Věda v osobních a sociálních perspektivách

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda a technologie v místních, národních a globálních výzvách

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Historické perspektivy

Vědecké standardy příští generace-stupně 2-5 (věk 7–11)

Záležitost a její interakce

• 2-PS1-2. Analyzujte data získaná testováním různých materiálů a určete, které materiály mají vlastnosti, které jsou pro zamýšlený účel nejvhodnější.

Pohyb a stabilita: Síly a interakce

Studenti, kteří prokáží porozumění, mohou:

• 3-PS2-1. Naplánujte a proveďte vyšetřování, které poskytne důkaz o účincích vyvážených a nevyvážených sil na pohyb předmětu.

Inženýrský design

Studenti, kteří prokáží porozumění, mohou:

• 3-5-ETS1-1. Definujte jednoduchý návrhový problém odrážející potřebu nebo přání, který obsahuje specifikovaná kritéria úspěchu a omezení materiálu, času nebo nákladů.
• 3-5-ETS1-2. Generujte a porovnávejte více možných řešení problému na základě toho, jak dobře každé z nich pravděpodobně splňuje kritéria a omezení problému.

Vědecké standardy příští generace-stupně 6-8 (věk 11–14)

Inženýrský design

Studenti, kteří prokáží porozumění, mohou:

• MS-ETS1-2 Vyhodnoťte konkurenční návrhová řešení pomocí systematického postupu a určete, jak dobře splňují kritéria a omezení problému.

Standardy pro technologickou gramotnost - všechny věkové kategorie

Technologie a společnost

• Standard 6: Studenti si osvojí porozumění roli společnosti při vývoji a používání technologií.
• Standard 7: Studenti si osvojí porozumění vlivu technologie na historii.

Design

• Standard 8: Studenti si osvojí porozumění atributům designu.

Standard 9: Studenti si osvojí porozumění strojírenství

Krok první:

Přečtěte si studentské referenční listy, kde se dozvíte o ložiscích a historii a vývoji kuličkových a válečkových ložisek.

Druhý krok:

Pracujte ve skupinách po 3-4 studentech a zkuste přesunout poskytnuté víko na několik povrchů-kniha, pracovní plocha, podlaha, koberec.

Otázka:

1. Jaký byl rozdíl ve tření při pohybu víka po různých površích? Který povrch vykazoval největší tření? Proč?

Krok třetí:

Do víka nádoby vložte tolik kuliček, které téměř zaplní prostor kuličkami (nepřeplňujte, aby se kuličky nemohly volně pohybovat). Pomocí knihy otočte víko a nyní zkuste víko posunout pomocí mramorových „koulí“, které vám poskytnou pomoc při třecích pohybech víka na stejných plochách, jaké jste zkoušeli dříve.

otázky:

1. Jaký byl rozdíl ve tření, které jste zažili s kuličkami válícími se pod víkem?

2. Pomohly kuličky na všech površích? Pouze některé? Který povrch, pokud vůbec nějaký, nyní vykazoval největší tření? Proč?

Krok čtyři:

Vyzkoušejte variantu, kdy je na víko umístěna kniha nebo jiné závaží (s kuličkami i bez nich).

otázky:

1. Umožňuje mramorová základna snadnější pohyb po přidání závaží?

2. Napadá vás aplikace pro takové zařízení? Kdo by potřeboval přesunout předměty s těžkými váhami? Jak by to pomohlo?

3. Seznam tří různých strojů, které obsahují kuličková ložiska nebo válečková ložiska.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Volitelný pracovní list studenta:
Vy jste inženýr! Řešení problémů s válečkovými ložisky

Instrukce

Vy jste inženýr! Pracujte v týmu a vymyslete plán pomocí válečkových ložisek pro přesunutí jednoho ze svých třídních stolů nebo stolu o 10 stop pomocí dodaného materiálu. Úkol: omezte sílu, kterou vyvíjíte, aby se stůl nebo stůl přesunul na to, na co můžete tlačit pouze pomocí ukazováčku. Můžete použít až 100 tužek, pásek.

Materiály

Jedna sada materiálů pro každou skupinu studentů:

• 100 tužek
• páska
• gumičky
• Sekce koberce nebo koberce

Krok první:

Níže nakreslete obrázek ukazující vaše plánované řešení.

Druhý krok:

Vyzkoušejte svůj plán! Podívejte se, jestli můžete přesouvat stůl pouze pomocí - inženýři neustále pracují v různých měřítcích!

otázky:

1. Plánovali jste projekční práce? Proč nebo proč ne?

2. Jaké revize jste museli provést ve svém plánu, aby bylo účinnějším řešením?

3. Dokázali jste přesunout stůl/stůl pouze silou z jednoho ukazováčku?