Laakereiden hankkiminen

Rakenna materiaaleja (jokaiselle joukkueelle)

Tarvittavat materiaalit aktiviteetteihin 1, 2, 3

• Purkin kansi (majoneesista tai vastaavasta astiasta)
• 25 identtistä kokoa (suurempi kuin kannen syvyys)
• kirja
• Maton tai maton osa 

Haasteeseen tarvittavat materiaalit

• 100 lyijykynää
• Nauha
• 25 Kuminauhat

Testausmateriaalit

• Työpöytä tai pieni pöytä
• Maton tai maton osa

Tarvikkeet

• Työpöytä tai pieni pöytä
• Maton tai maton osa

Prosessi

Joukkueet testaavat suunnitteluaan näyttämällä, kuinka he voivat siirtää työpöytää/pöytää 10 metriä vain etusormellaan.

Design Challenge

Olet insinööritiimi, joka työskentelee yhdessä suunnitellakseen järjestelmän, jossa käytetään rullalaakereita yhden luokkahuoneen työpöydän tai pöydän siirtämiseen 10 jalkaa. Rajoita voimaa, jota käytät saadaksesi pöydän tai pöydän siirtymään siihen, mitä voit työntää vain etusormella.

Kriteeri

• Pöytää tai pöytää on siirrettävä 10 metriä.
• Käytä vain etusormeasi työpöydän tai pöydän siirtämiseen.

rajoitteet

• Voidaan käyttää enintään 100 lyijykynää, teippiä ja 25 kuminauhaa
• Käytä vain sinulle toimitettuja materiaaleja.

1. Jaa luokka 3-4 hengen joukkueiksi.
2. Jaa Laakereiden hankkiminen -työarkki ja muutama paperiarkki luonnosten luonnostamiseksi.
3. Keskustelkaa aiheista taustakäsitteistä. Pyydä oppilaita tuntemaan kitkan vahvuus yrittäessään siirtää kannen (avoin osa alas) purkin eri pintojen yli: pöytälevy, laattalattia, matto. Pyydä oppilaita ehdottamaan erilaisia ​​koneita, joissa on kuula- tai rullalaakereita.
4. Tarkista suunnitteluprosessi, suunnitteluhaaste, kriteerit, rajoitukset ja materiaalit.
5. Anna jokaiselle tiimille materiaalit.
6. Opeta oppilaille, että he suorittavat 3 tehtävää ja sitten haasteen.
   Tehtävä 1: Oppilaat yrittävät siirtää heille annetun kannen useiden pintojen - kirjan, työpöydän, lattian, maton - päälle.
   Tehtävä 2: Oppilaat asettavat juuri niin paljon marmoria purkin kanteen, että ne täyttävät melkein koko tilan (heidän ei pitäisi täyttää sitä liikaa, jotta marmorit eivät voi liikkua vapaasti). Seuraavaksi heidän tulee kääntää kansi kirjan avulla ja yrittää sitten siirtää kansi marmoripalloilla.
   Tehtävä 3: Oppilaat kokeilevat muunnelmaa, jossa kirja tai muu paino asetetaan kannen päälle (marmorilla ja ilman).
7. Selitä, että haastetta varten oppilaiden on suunniteltava järjestelmä, jossa käytetään rullalaakereita liikuttaakseen yhtä luokkahuoneen työpöytää tai pöytää 10 jalkaa. Niiden tulisi rajoittaa voimaa, jota he käyttävät saadakseen pöydän tai pöydän siirtymään siihen, mitä he voivat työntää vain etusormella.
8. Ilmoita suunnittelun ja rakentamisen aika (suositeltu 1 tunti).
9. Käytä ajastinta tai online-sekuntikelloa (laskuritoiminto) varmistaaksesi, että pysyt ajoissa. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Anna oppilaille säännöllisiä "aikatarkastuksia", jotta he pysyvät tehtävässään. Jos heillä on vaikeuksia, kysy kysymyksiä, jotka johtavat heidät ratkaisuun nopeammin.
10. Opiskelijat tapaavat ja laativat suunnitelman rullalaakerijärjestelmälle. He sopivat tarvitsemistaan ​​materiaaleista, kirjoittavat/piirtävät suunnitelmansa ja esittävät suunnitelmansa luokalle.
11. Joukkueet rakentavat suunnitelmiaan.
12. Joukkueet testaavat suunnitteluaan näyttämällä, kuinka he voivat siirtää työpöytää/pöytää 10 metriä vain etusormellaan.
13. Keskustelkaa luokassa oppilaiden pohdintaa koskevista kysymyksistä.
14. Lisää aiheeseen liittyvää sisältöä on kohdassa "Kaivaminen syvemmälle".

Valinnainen vanhemmille opiskelijoille

Työskentele ryhmissä selvittääksesi, voisiko muilla laakereilla olla etuja nykyisiin pallo- tai rullarakenteisiin verrattuna. Miksi tai miksi ei?

Opiskelijan heijastus (suunnitteluvihko)

1. Tehtävä 1:
   - Mitä eroa oli kitkan siirtämisessä kannen poikki eri pintojen yli?
   - Millä pinnalla oli eniten kitkaa? Miksi?
2. Tehtävä 2:
   - Mikä oli ero kitkassa, jonka koit marmorien vierintässä
   kannen alla?
   - Auttivatko marmorit kaikilla pinnoilla? Vain joitain?
   - Millä pinnalla, jos ollenkaan, esiintyi nyt eniten kitkaa? Miksi?
3. Tehtävä 3:
   - Onko marmoripohja helpompi liikkua, kun painoja lisätään?
   - Voitko ajatella tällaisen laitteen sovellusta?
   - Kenen olisi siirrettävä tavaroita, joilla on suuria painoja? Miten tämä auttaisi?
   - Luettele kolme eri konetta, joissa on kuula- tai rullalaakereita.
4. Haaste:
   - Oletko suunnitellut suunnittelutöitä? Miksi tai miksi ei?
   - Mitä muutoksia sinun oli tehtävä suunnitelmaasi tehdäksesi siitä tehokkaampi ratkaisu?
   - Pystyitkö siirtämään pöytää/pöytää vain yhdellä etusormella?

Oppitunti voidaan suorittaa vain yhden luokan aikana vanhemmille opiskelijoille. Jos haluat kuitenkin auttaa oppilaita tuntemaan kiirettä ja varmistamaan opiskelijoiden menestyksen (etenkin nuoremmille opiskelijoille), jaa oppitunti kahteen jaksoon, jolloin oppilaat saavat enemmän aikaa ajatella, testata ideoita ja viimeistellä suunnittelunsa. Suorita testaus ja selvitys seuraavalla luokkakaudella.

Mikä on kitka?

Kuinka kuulalaakerit auttavat? 

Kitka

Kitka on termi, joka kuvaa kuinka suuri vastus on kahden kohteen liikkumiselle toisen yli. Mitä suurempi kitka, sitä vaikeampaa näiden kahden esineen on liikkua tasaisesti. Vähemmän kitkaa käyttämällä esineet liikkuvat helposti ja tasaisesti toisiaan vasten. Esimerkiksi kumipalalla olisi suurempi kitka maton yli liikkuessa kuin sileällä oppikirjalla. Koneissa osat hankautuvat toisiaan vasten ja lisääntynyt kitka voi kuluttaa osat nopeammin.

Kuulalaakerit

Kuulalaakeri tarkoittaa joskus laakerikokoonpanoa, joka käyttää pallomaisia ​​laakereita vierintäelementteinä. Se tarkoittaa myös yksittäistä palloa laakerikokoonpanolle. Kuulalaakerit on valmistettu monista eri materiaaleista, mukaan lukien keramiikka, metallit, ruostumaton teräs ja muut hybridimateriaalit. Ne auttavat vähentämään kitkaa, mikä pitää koneet toiminnassa pidempään. Ne voivat myös antaa koneen toimia hiljaisemmin. Laakerit on suunniteltu yksinkertaisella periaatteella - että esineet rullaavat helpommin kuin liukuvat. Kun kaksi esinettä liukuvat toisiaan vasten, kuten kirja pöydällä tai purkki matolla, pintojen välinen kitka hidastaa liikettä. Jos esineet voisivat sen sijaan rullata toistensa yli, kosketettavan pinta -alan määrä on rajoitettu ja kitka pienenee.

Pyörivät elementtilaakerit

Rullalaakeri on laakeri, joka kantaa taakkaa asettamalla pyöreät elementit kahden kappaleen väliin. Kappaleiden suhteellinen liike saa pyöreät elementit rullaamaan (romahtamaan) vähän liukumalla. Kuvassa näet kuinka pallot on suljettu pyöreiden osien väliin. Yksi varhaisimmista ja tunnetuimmista vierintälaakereista on tukkijoukkoja, jotka on asetettu maahan ja suuri kivilohko päällä. Kun kiveä vedetään, tukit rullaavat pitkin maata pienellä liukukitkalla. Kun jokainen tukki tulee ulos takaa, se siirretään eteen, jossa lohko rullaa sen päälle. Voit jäljitellä tällaista laakeria asettamalla useita kynät tai lyijykynät pöydälle ja asettamalla kätesi niiden päälle.

Polkupyörät ilman kuulalaakereita? Vuoristoradat ilman rullalaakereita?

Polkupyörät ovat loistava esimerkki koneesta, joka käyttää kuulalaakereita kitkan vähentämiseen. Kuulalaakerit löytyvät polkimista, etu- ja takapyörien navoista sekä putkesta, johon ohjaustanko on kiinnitetty. Ja rullalaudat ja rullaluistimet sisältävät myös kuulalaakerit! Näiden esimerkkien lisäksi kuulalaakerit ovat tärkeä öljynporauslaitteiden, lentokoneiden ja autojen suunnitteluelementti. Rullalaakereita käytetään vuoristoradoissa!

Kuulalaakereiden historia - tuotteen kehitys  

Historia

Varhainen esimerkki puusta kuulalaakerista, joka tukee pyörivää pöytää, haettiin roomalaisen laivan jäännöksistä Nemi -järvessä Italiassa. Hylky oli vuodelta 40 eaa. Leonardo da Vinci on sanonut kuvaavansa kuulalaakerityyppiä noin vuonna 1500. Yksi kuulalaakereiden ongelmista on, että ne voivat hankautua toisiaan vasten aiheuttaen lisää kitkaa, mutta tämä voidaan estää sulkemalla pallot häkkiin . Galileo kuvasi alun perin kaapatun tai häkissä olevan kuulalaakerin 1600 -luvulla.

Innovaatio

Henry Timken, 19-luvun visionääri ja vaunujen valmistuksen innovaattori, patentoi kartiorullalaakerin vuonna 1898. Hän suunnitteli liiketoiminnan, joka perustuu kriittisen, ikivanhan teknisen ongelman ratkaisemiseen: kitka, voima, joka estää esineiden liikkeen kosketuksessa toisiaan. "Mies, joka voisi suunnitella jotain, joka vähentäisi kitkaa perusteellisesti", Timken huomautti, "saavuttaisi jotain todellista arvoa maailmalle." Seuraavana vuonna hän perusti The Timken Companyn tuottamaan innovaationsa.

Tuotesuunnittelu ja parantaminen

Kun Henry aloitti kehitystyönsä, hallitseva laakeri oli tavallinen tai "kitka", joka oli ollut käytössä vähäisellä muutoksella muinaisista ajoista lähtien. Se oli lähinnä metallivuoraus pyörivän akselin ympärillä olevassa reiässä, ja päätehtävä kitkan vähentämisessä riippuu voitelusta. Henry alkoi kokeilla kuulalaakereita, mutta ne epäonnistuivat nopeasti kulumisesta. Hän totesi, että ”rullalaakereilla” oli enemmän lupauksia ajoneuvoille, kuten autoille, koska kuorman paino- niin paljon raskaampi kuin polkupyörällä- voitaisiin kantaa koko rullien pituudella, toisin kuin yksittäinen jokaisen kuulalaakereissa olevan pallon kosketuspiste. Henry yritti suoria teloja, mutta asettui kartiomaiseen, mikä salli laakereiden ylläpitää voimia kaikista suunnista. Vuodesta 1899 lähtien Timken Company on tuottanut yli kuusi miljardia laakeria ja valmistaa nyt monenlaisia ​​laakereita.

Toimialat ja sovellukset

Kuulalaakereita käytetään useimmilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien kuljetus, ilmailu, teollisuus, maatalous ja urheilu/viihde. Löydät joitain esimerkkejä kuula- tai rullalaakereista, joita käytetään lentokoneiden laskeutumispyöriin, tuuliturbiiniin, satelliitteihin ja valssaamoihin. Pieniä laakereita löytyy lääketieteellisistä sovelluksista, kuten hammaslääketieteellisistä laitteista.

Internet-yhteydet

• American Bearing Manufacturers Association - Laakereiden aikajana

Suositeltavaa luettavaa

• Timken: Missourista Marsiin - vuosisata johtajuutta valmistuksessa (ISBN: 0875848877)
• Pyörätieteet, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Kuula- ja rullalaakerit: teoria, suunnittelu ja käyttö (ISBN: 0471984523)

Kirjoittaminen

Kirjoita essee tai kappale, jossa kuvataan kolmea eri konetta, joissa on kuula- tai rullalaakereita. Miten laakereiden käyttö parantaa konetta?

Sopeutuminen opetussuunnitelmien kehyksiin

Huomautus: Tämän sarjan oppituntisuunnitelmat on yhden tai useamman seuraavan standardin mukaista:

• Tiedeopetuksen standardit (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Seuraavan sukupolven tieteelliset standardit (http://www.nextgenscience.org/)
• Kansainvälisen teknologiakasvatusyhdistyksen standardit teknologiselle lukutaidolle (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S.Matematiikan opettajien kansallinen neuvosto koulumatematiikan periaatteet ja standardit (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Matematiikan yhteiset ydinvaltion standardit (http://www.corestandards.org/Math)
• Tietojenkäsittelytieteen opettajien yhdistys K-12 Tietotekniikan standardit (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat K-4 (4-9-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toimintansa tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Esineiden ja materiaalien ominaisuudet
• Esineiden sijainti ja liike

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Teknisen suunnittelun kyvyt

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ihmisen pyrkimyksenä

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 5-8 (10-14-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toimintansa tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Ominaisuudet ja ominaisuuksien muutokset aineessa
• Liikkeet ja voimat
• Energian siirto

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Teknisen suunnittelun kyvyt

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ihmisen pyrkimyksenä
• Tieteen historia

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 9-12 (14-18-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI B: Fysiikka

Toimintansa tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Liikkeet ja voimat
• Energian ja aineen vuorovaikutukset

SISÄLTÖSTANDARDI E: Tiede ja tekniikka

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulee kehittyä

• Teknisen suunnittelun kyvyt
• Ymmärtäminen tieteestä ja tekniikasta

Kansalliset tiedekasvatusstandardit Luokat 9-12 (14-18-vuotiaat)

SISÄLTÖSTANDARDI F: Tiede henkilökohtaisissa ja sosiaalisissa näkökulmissa

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Tiede ja teknologia paikallisiin, kansallisiin ja maailmanlaajuisiin haasteisiin

SISÄLTÖSTANDARDI G: Tieteen historia ja luonne

Toiminnan tuloksena kaikkien opiskelijoiden tulisi kehittää ymmärrystä

• Historialliset näkökulmat

Seuraavan sukupolven tieteelliset standardit-luokat 2-5 (ikä 7-11)

Aine ja sen vuorovaikutukset

• 2-PS1-2. Analysoimalla eri materiaalien testaamisesta saatuja tietoja sen määrittämiseksi, mitkä materiaalit ovat ominaisuuksia, jotka sopivat parhaiten aiottuun tarkoitukseen.

Liike ja vakaus: Voimat ja vuorovaikutus

Opiskelijat, jotka osoittavat ymmärrystä, voivat:

• 3-PS2-1. Suunnittele ja suorita tutkimus, joka antaa todisteita tasapainoisten ja epätasapainoisten voimien vaikutuksista esineen liikkeeseen.

Suunnittelu

Opiskelijat, jotka osoittavat ymmärrystä, voivat:

• 3-5-ETS1-1 Määrittele yksinkertainen suunnitteluongelma, joka heijastaa tarvetta tai halua, joka sisältää määritellyt menestyskriteerit ja rajoitukset materiaaleille, ajalle tai kustannuksille.
• 3-5-ETS1-2 Luo ja vertaa useita mahdollisia ratkaisuja ongelmaan sen mukaan, kuinka hyvin jokainen todennäköisesti täyttää ongelman kriteerit ja rajoitukset.

Seuraavan sukupolven tieteelliset standardit-luokat 6-8 (ikä 11-14)

Suunnittelu

Opiskelijat, jotka osoittavat ymmärrystä, voivat:

• MS-ETS1-2 Arvioi kilpailevat suunnitteluratkaisut järjestelmällisellä prosessilla sen määrittämiseksi, kuinka hyvin ne täyttävät ongelman kriteerit ja rajoitukset.

Teknisen lukutaidon standardit - kaikki ikäryhmät

Tekniikka ja yhteiskunta

• Standardi 6: Opiskelija kehittää ymmärryksen yhteiskunnan roolista teknologian kehittämisessä ja käytössä.
• Standardi 7: Opiskelija kehittää ymmärryksen tekniikan vaikutuksesta historiaan.

Malli

• Standardi 8: Opiskelija kehittää ymmärryksen suunnittelun ominaisuuksista.

Standardi 9: Opiskelija kehittää ymmärryksen tekniikasta

Vaihe yksi:

Lue oppilaiden opaskirjat oppiaksesi laakereista sekä kuula- ja rullalaakereiden historiasta ja kehityksestä.

Vaihe kaksi:

Työskentele 3-4 oppilaan ryhmissä ja yritä siirtää sinulle toimitettu kansi useiden pintojen-kirjan, työpöydän, lattian, maton-päälle.

Kysymys:

1. Mitä eroa oli kitkassa kannen siirtämisessä eri pintojen yli? Millä pinnalla oli eniten kitkaa? Miksi?

Vaihe kolme:

Aseta marmorit juuri niin paljon, että ne täyttävät lähes kokonaan tilan marmorilla (älä täytä liikaa, jotta marmorit eivät voi liikkua vapaasti). Käännä kansi kirjan avulla ja yritä nyt siirtää kansi marmoripalloilla, jotka auttavat kitkan kannessa liikkumaan samojen pintojen yli, joita on kokeiltu aiemmin.

kysymykset:

1. Mikä oli ero kitkassa, jonka koit marmorien rullaamisen kannen alla?

2. Auttivatko marmorit kaikilla pinnoilla? Vain joitain? Millä pinnalla, jos ollenkaan, esiintyi nyt eniten kitkaa? Miksi?

Neljäs vaihe:

Kokeile vaihtoehtoa, jossa kirja tai muu paino on asetettu kannen päälle (marmorilla tai ilman).

kysymykset:

1. Onko marmoripohja helpompi liikkua, kun painoja lisätään?

2. Tuleeko mieleesi tällaisen laitteen sovellus? Kenen olisi siirrettävä tavaroita, joilla on suuria painoja? Miten tämä auttaisi?

3. Luettele kolme eri konetta, joissa on kuula- tai rullalaakereita.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Valinnainen opiskelijan laskentataulukko:
Sinä olet insinööri! Ongelmanratkaisu rullalaakereilla

Ohjeet

Sinä olet insinööri! Työskentele tiimissä ja suunnittele rullalaakereilla suunnitelma, jolla voit siirtää yhden luokkahuoneen työpöydistä tai pöydän 10 jalkaa käyttämällä mukana toimitettuja materiaaleja. Haaste: rajoita voima, jota käytät työpöydän tai pöydän siirtämiseen siihen, mitä voit työntää vain etusormella. Voit käyttää enintään 100 lyijykynää, teippiä.

Tarvikkeet

Yksi aineistosarja jokaiselle opiskelijaryhmälle:

• 100 lyijykynää
• nauha
• kuminauhat
• Maton tai maton osa

Vaihe yksi:

Piirrä alla oleva kuva, joka näyttää suunnitellun ratkaisusi.

Vaihe kaksi:

Kokeile suunnitelmasi! Katso, voitko siirtää työpöytää vain - insinöörit työskentelevät eri mittakaavoissa koko ajan!

kysymykset:

1. Oletko suunnitellut suunnittelutöitä? Miksi tai miksi ei?

2. Mitä muutoksia sinun oli tehtävä suunnitelmaasi tehdäksesi siitä tehokkaampi ratkaisu?

3. Pystyitkö siirtämään pöytää/pöytää vain yhden etusormen voimalla?