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Baumaterialien (für jedes Team)

Erforderliche Materialien für Aktivitäten 1, 2, 3

• Glasdeckel (aus Mayonnaise oder ähnlichem Behältnis)
• 25 gleich große Murmeln (größer als die verwendete Deckeltiefe)
• Buchung
• Abschnitt von Teppich oder Vorleger 

Benötigte Materialien für die Challenge

• 100-Bleistifte
• Band
• 25 Gummibänder

Testmaterialien

• Schreibtisch oder kleiner Tisch
• Abschnitt von Teppich oder Vorleger

Materialien

• Schreibtisch oder kleiner Tisch
• Abschnitt von Teppich oder Vorleger

Verfahren

Die Teams testen ihre Designs, indem sie zeigen, wie sie den Schreibtisch/Tisch 10 m mit nur ihrem Zeigefinger bewegen können.

Design-Herausforderung

Sie sind ein Team von Ingenieuren, die zusammenarbeiten, um ein System zu entwickeln, bei dem Rollenlager verwendet werden, um einen Ihrer Klassenzimmerschreibtische oder einen Tisch von 10 m zu bewegen. Begrenzen Sie die Kraft, die Sie aufwenden, um den Schreibtisch oder Tisch so zu bewegen, dass Sie nur mit Ihrem Zeigefinger drücken können.

Eigenschaften

• Muss Schreibtisch oder Tisch 10 Fuß bewegen.
• Verwenden Sie nur Ihren Zeigefinger, um den Schreibtisch oder Tisch zu bewegen.

Einschränkungen

• Kann nur bis zu 100 Bleistifte, Klebeband und 25 Gummibänder verwenden
• Verwenden Sie nur die Ihnen zur Verfügung gestellten Materialien.

1. Teilen Sie die Klasse in Teams von 3-4 Personen auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt Getting your Bearings sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Konstruktionen.
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Bitten Sie die Schüler, die Stärke der Reibung zu spüren, wenn sie versuchen, den Deckel (offener Teil nach unten) des Gefäßes über verschiedene Oberflächen zu bewegen: Schreibtischplatte, Fliesenboden, Teppich. Bitten Sie die Schüler, verschiedene Maschinen vorzuschlagen, die Kugel- oder Rollenlager enthalten.
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
5. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
6. Weisen Sie die Schüler an, dass sie 3 Aktivitäten und dann eine Herausforderung absolvieren werden.
   Aktivität 1: Die Schüler versuchen, den ihnen zur Verfügung gestellten Deckel über mehrere Oberflächen zu bewegen – Buch, Schreibtisch, Boden, Teppich.
   Aktivität 2: Die Schüler legen gerade genug Murmeln in den Glasdeckel, um den Raum fast mit Murmeln zu füllen (sie sollten ihn nicht überfüllen, damit sich die Murmeln nicht frei bewegen können). Als nächstes sollten sie den Deckel mit einem Buch umdrehen und dann versuchen, den Deckel mit den Marmorkugeln zu bewegen.
   Aktivität 3: Die Schüler probieren eine Variante aus, bei der ein Buch oder ein anderes Gewicht auf den Deckel gelegt wird (mit und ohne Murmeln).
7. Erklären Sie, dass die Schüler für die Herausforderung ein System entwerfen müssen, das Rollenlager verwendet, um einen der Klassenzimmerschreibtische oder einen Tisch von 10 m zu bewegen. Sie sollten die Kraft, die sie aufwenden, um den Schreibtisch oder Tisch zu bewegen, auf das beschränken, was sie nur mit Ihrem Zeigefinger drücken können.
8. Geben Sie die Zeit an, die sie zum Entwerfen und Bauen haben (1 Stunde empfohlen).
9. Verwenden Sie einen Timer oder eine Online-Stoppuhr (Countdown-Funktion), um sicherzustellen, dass Sie pünktlich sind. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geben Sie den Schülern regelmäßige „Zeitprüfungen“, damit sie bei der Arbeit bleiben. Wenn sie Probleme haben, stellen Sie Fragen, die sie schneller zu einer Lösung führen.
10. Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihr Wälzlagersystem. Sie vereinbaren Materialien, die sie benötigen, schreiben/zeichnen ihren Plan und präsentieren ihren Plan der Klasse.
11. Teams bauen ihre Entwürfe.
12. Die Teams testen ihre Designs, indem sie zeigen, wie sie den Schreibtisch/Tisch 10 m mit nur ihrem Zeigefinger bewegen können.
13. Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
14. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Optional für ältere Studenten

Arbeiten Sie in Teams zusammen, um herauszufinden, ob andere Lagerformen Vorteile gegenüber den aktuellen Kugel- oder Rollenkonstruktionen haben könnten. Warum oder warum nicht?

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Aktivität 1:
   – Was war der Unterschied in der Reibung, die den Deckel über verschiedene Oberflächen bewegte?
   – Welche Oberfläche zeigte die meiste Reibung? Wieso den?
2. Aktivität 2:
   – Was war der Unterschied in der Reibung, die Sie beim Rollen der Murmeln erlebt haben?
   unter dem deckel?
   – Haben die Murmeln auf allen Oberflächen geholfen? Nur ein paar?
   – Welche Oberfläche, wenn überhaupt, wies jetzt die meiste Reibung auf? Wieso den?
3. Aktivität 3:
   – Erlaubt der Marmorsockel eine leichtere Bewegung, wenn Gewichte hinzugefügt werden?
   – Können Sie sich eine Anwendung für ein solches Gerät vorstellen?
   – Wer müsste schwergewichtige Gegenstände bewegen? Wie würde das helfen?
   – Nennen Sie drei verschiedene Maschinen mit Kugel- oder Rollenlagern.
4. Herausforderung:
   – Haben Sie Entwurfsarbeiten geplant? Warum oder warum nicht?
   – Welche Überarbeitungen mussten Sie an Ihrem Plan vornehmen, um ihn zu einer effektiveren Lösung zu machen?
   – Konnten Sie den Schreibtisch/Tisch nur mit der Kraft eines Zeigefingers bewegen?

Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.

Was ist Reibung?

Wie helfen Kugellager? 

Friction

Reibung ist ein Begriff, der beschreibt, wie viel Widerstand zwei Objekte haben, um sich über einen anderen zu bewegen. Je größer die Reibung, desto schwieriger ist es für die beiden Objekte, sich reibungslos zu bewegen. Mit weniger Reibung bewegen sich Objekte leicht und reibungslos gegeneinander. Zum Beispiel würde ein Stück Gummi eine größere Reibung haben, wenn es sich über einen Teppich bewegt, als ein glattes Lehrbuch. In Maschinen reiben Teile aneinander und eine erhöhte Reibung kann Teile schneller verschleißen.

Kugellager

Der Begriff Kugellager bezeichnet manchmal eine Lageranordnung, die sphärische Lager als Wälzkörper verwendet. Es bedeutet auch eine einzelne Kugel für eine Lagerbaugruppe. Kugellager werden aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt, darunter Keramik, Metalle, Edelstahl und andere Hybridmaterialien. Sie helfen, die Reibung zu reduzieren, wodurch die Maschinen länger laufen. Sie können auch einen leiseren Betrieb einer Maschine ermöglichen. Lager wurden nach einem einfachen Prinzip entwickelt – dass Gegenstände leichter rollen als gleiten. Wenn zwei Gegenstände gegeneinander gleiten, wie ein Buch auf einem Tisch oder ein Glas auf einem Teppich, verlangsamt die Reibung zwischen den Oberflächen die Bewegung. Wenn die Objekte stattdessen übereinander rollen könnten, dann wird die Berührungsfläche begrenzt und somit die Reibung verringert.

Wälzlager

Ein Wälzlager ist ein Lager, das eine Last trägt, indem runde Elemente zwischen die beiden Teile gelegt werden. Die relative Bewegung der Teile bewirkt, dass die runden Elemente mit geringem Gleiten rollen (taumeln). Auf dem Bild sehen Sie, wie die Kugeln zwischen den runden Teilen eingeschlossen sind. Eines der frühesten und bekanntesten Wälzlager sind Baumstämme, die mit einem großen Steinblock darauf auf den Boden gelegt werden. Beim Ziehen des Steins rollen die Stämme mit geringer Gleitreibung über den Boden. Wenn jeder Stamm hinten herauskommt, wird er nach vorne bewegt, wo der Block dann darauf rollt. Sie können eine solche Haltung nachahmen, indem Sie mehrere Kugelschreiber oder Bleistifte auf einen Tisch legen und Ihre Hand darauf legen.

Fahrräder ohne Kugellager? Achterbahnen ohne Rollenlager?

Fahrräder sind ein großartiges Beispiel für eine Maschine, die Kugellager verwendet, um die Reibung zu reduzieren. Kugellager befinden sich in den Pedalen, in den Vorder- und Hinterradnaben für die Laufräder und dem Rohr, an dem der Lenker befestigt ist. Auch Skateboards und Rollerblades sind mit Kugellagern ausgestattet! Über diese Beispiele hinaus sind Kugellager ein wichtiges Konstruktionselement von Ölbohrinseln, Flugzeugen und Automobilen. Rollenlager werden in Achterbahnen verwendet!

Geschichte der Kugellager – Produktentwicklung  

Geschichte

Ein frühes Beispiel für ein hölzernes Kugellager, das einen Drehtisch trägt, wurde aus den Überresten eines römischen Schiffes im Nemi-See in Italien geborgen. Das Wrack wurde auf 40 v. Chr. datiert. Leonardo da Vinci soll um das Jahr 1500 eine Art von Kugellager beschrieben haben. Eines der Probleme bei Kugellagern ist, dass sie aneinander reiben und zusätzliche Reibung verursachen können, was jedoch durch das Einschließen der Kugeln in einen Käfig verhindert werden kann . Das eingefangene oder mit Käfig versehene Kugellager wurde ursprünglich von Galileo im 1600. Jahrhundert beschrieben.

Innovation

Henry Timken, ein Visionär und Innovator des 19. Jahrhunderts im Wagenbau, patentierte das Kegelrollenlager im Jahr 1898. Er stellte sich ein Unternehmen vor, das auf der Lösung eines kritischen, uralten technischen Problems aufbaute: Reibung, die Kraft, die die Bewegung von Objekten behindert, die mit gegenseitig. „Der Mann, der etwas erfinden könnte, das die Reibung grundlegend reduzieren würde“, bemerkte Timken, „würde etwas von echtem Wert für die Welt erreichen.“ Im folgenden Jahr gründete er The Timken Company, um seine Innovation zu produzieren.

Produktdesign und -verbesserung

Als Henry seine Entwicklungsarbeit begann, war das vorherrschende Lager das Gleitlager, das seit der Antike mit wenig Veränderung verwendet wurde. Es war im Wesentlichen eine Metallbüchse im Loch um eine rotierende Welle, wobei die Hauptarbeit der Reibungsreduzierung von der Schmierung abhängt. Henry begann mit Kugellagern zu experimentieren, aber sie versagten schnell aufgrund von Verschleiß. Er kam zu dem Schluss, dass „Rollen“-Lager für Fahrzeuge wie Autos vielversprechender seien, da das Gewicht der Ladung – so viel schwerer als bei einem Fahrrad – über die gesamte Länge der Rollen getragen werden konnte, im Gegensatz zu den einzelnen Berührungspunkt jeder Kugel in Kugellagern. Henry versuchte es mit geraden Rollen, entschied sich jedoch für konische Rollen, die es den Lagern ermöglichten, Kräfte aus allen Richtungen aufzunehmen. Seit 1899 hat The Timken Company mehr als sechs Milliarden Lager produziert und stellt heute Lager vieler verschiedener Typen her.

Branchen und Anwendungen

Kugellager werden in den meisten Branchen verwendet, darunter Transportwesen, Luft- und Raumfahrt, Fertigung, Landwirtschaft und Sport/Unterhaltung. Hier finden Sie einige Beispiele für Kugel- oder Rollenlager, die in Flugzeugfahrrädern, Windturbinen, Satelliten und Walzwerken verwendet werden. Miniaturlager finden sich in medizinischen Anwendungen wie zahnmedizinischen Geräten.

Internetverbindungen

• American Bearing Manufacturers Association – Lagerzeitplan

Literatur-Empfehlungen

• Timken: Von Missouri zum Mars – Ein Jahrhundert der Führungsrolle in der Fertigung (ISBN: 0875848877)
• Radsportwissenschaft, von David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Kugel- und Rollenlager: Theorie, Design und Anwendung (ISBN: 0471984523)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz, der drei verschiedene Maschinen beschreibt, die Kugellager oder Rollenlager enthalten. Wie verbessert der Einsatz der Lager die Maschine?

Anpassung an Curriculum Frameworks

Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:

• S. Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Wissenschaftsstandards der nächsten Generation (http://www.nextgenscience.org/)
• Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nationaler Rat der Lehrer für Grundsätze und Standards der Mathematik für Schulmathematik (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Gemeinsame Kernzustandsstandards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
• Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klassen K-4 (Alter 4-9)

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften von Objekten und Materialien
• Position und Bewegung von Objekten

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften und Veränderungen von Eigenschaften in Materie
• Bewegungen und Kräfte
• Energieübertragung

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen
• Wissenschaftsgeschichte

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Bewegungen und Kräfte
• Wechselwirkungen von Energie und Materie

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs
• Verständnis für Wissenschaft und Technologie

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Historische Perspektiven

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation – Klassen 2-5 (Alter 7-11)

Materie und ihre Wechselwirkungen

• 2-PS1-2. Analysieren Sie Daten aus dem Testen verschiedener Materialien, um zu bestimmen, welche Materialien die Eigenschaften haben, die für einen beabsichtigten Zweck am besten geeignet sind.

Bewegung und Stabilität: Kräfte und Wechselwirkungen

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 3-PS2-1. Planen und führen Sie eine Untersuchung durch, um die Auswirkungen ausgeglichener und unausgeglichener Kräfte auf die Bewegung eines Objekts nachzuweisen.

Ingenieur-Design

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• 3-5-ETS1-1.Definieren Sie ein einfaches Entwurfsproblem, das einen Bedarf oder einen Wunsch widerspiegelt, das festgelegte Erfolgskriterien und Einschränkungen hinsichtlich Material, Zeit oder Kosten enthält.
• 3-5-ETS1-2. Generieren und vergleichen Sie mehrere mögliche Lösungen für ein Problem, basierend darauf, wie gut jede die Kriterien und Einschränkungen des Problems wahrscheinlich erfüllt.

Wissenschaftsstandards der nächsten Generation – Klassen 6-8 (Alter 11-14)

Ingenieur-Design

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

• MS-ETS1-2 Bewerten Sie konkurrierende Konstruktionslösungen mithilfe eines systematischen Prozesses, um zu bestimmen, wie gut sie die Kriterien und Einschränkungen des Problems erfüllen.

Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen

Technologie und Gesellschaft

• Standard 6: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle der Gesellschaft bei der Entwicklung und Nutzung von Technologie.
• Standard 7: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für den Einfluss der Technologie auf die Geschichte.

Design

• Standard 8: Die Schüler entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften von Design.

Standard 9: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Ingenieurwissenschaften

Schritt eins:

Lesen Sie die Schülerreferenzblätter, um mehr über Lager und die Geschichte und Entwicklung von Kugel- und Rollenlagern zu erfahren.

Schritt zwei:

Versuchen Sie in Gruppen von 3-4 Schülern, den bereitgestellten Deckel über mehrere Oberflächen zu bewegen – Buch, Schreibtisch, Boden, Teppich.

Frage:

1. Was war der Unterschied in der Reibung, die den Deckel über verschiedene Oberflächen bewegte? Welche Oberfläche zeigte die meiste Reibung? Wieso den?

Schritt Drei:

Legen Sie gerade genug Murmeln in den Glasdeckel, um den Raum fast mit Murmeln zu füllen (nicht überfüllen, damit sich die Murmeln nicht frei bewegen können). Verwenden Sie ein Buch, um den Deckel umzudrehen, und versuchen Sie nun, den Deckel mit den Marmorkugeln zu bewegen, um die Reibungsbewegungen des Deckels über die gleichen Oberflächen zu unterstützen, die Sie zuvor versucht haben.

Fragen:

1. Was war der Unterschied in der Reibung, die Sie beim Rollen der Murmeln unter dem Deckel hatten?

2. Haben die Murmeln auf allen Oberflächen geholfen? Nur ein paar? Welche Oberfläche, wenn überhaupt, wies jetzt die meiste Reibung auf? Wieso den?

Schritt Vier:

Probieren Sie eine Variante aus, bei der ein Buch oder ein anderes Gewicht auf den Deckel gelegt wird (mit und ohne Murmeln).

Fragen:

1. Erlaubt der Marmorsockel eine leichtere Bewegung, wenn Gewichte hinzugefügt werden?

2. Können Sie sich eine Anwendung für ein solches Gerät vorstellen? Wer müsste schwergewichtige Gegenstände bewegen? Wie würde das helfen?

3. Nennen Sie drei verschiedene Maschinen mit Kugel- oder Rollenlagern.

1:_____________ 2. ______________ 3._____________

Optionales Schülerarbeitsblatt:
Sie sind der Ingenieur! Problemlösung mit Rollenlagern

Anweisungen

Sie sind der Ingenieur! Arbeiten Sie in einem Team und entwickeln Sie einen Plan mit Rollenlagern, um einen Ihrer Klassenzimmerschreibtische oder einen Tisch mit den bereitgestellten Materialien 10 m zu bewegen. Herausforderung: Begrenzen Sie die Kraft, die Sie aufwenden, um den Schreibtisch oder Tisch so zu bewegen, dass Sie nur mit Ihrem Zeigefinger drücken können. Sie können bis zu 100 Bleistifte, Klebeband verwenden.

Materialien

Ein Satz Materialien für jede Schülergruppe:

• 100-Bleistifte
• Band
• Gummibänder
• Abschnitt von Teppich oder Vorleger

Schritt eins:

Zeichnen Sie unten eine Abbildung, die Ihre geplante Lösung zeigt.

Schritt zwei:

Probieren Sie Ihren Plan aus! Sehen Sie, ob Sie den Schreibtisch nur mit bewegen können – Ingenieure arbeiten die ganze Zeit in verschiedenen Maßstäben!

Fragen:

1. Haben Sie Designarbeiten geplant? Warum oder warum nicht?

2. Welche Überarbeitungen mussten Sie an Ihrem Plan vornehmen, um ihn zu einer effektiveren Lösung zu machen?

3. Konnten Sie den Schreibtisch/Tisch nur mit der Kraft eines Zeigefingers bewegen?