Obtenir vos roulements

Matériaux de construction (pour chaque équipe)

Matériel requis pour les activités 1, 2, 3

• Couvercle de pot (à partir de mayonnaise ou d'un récipient similaire)
• 25 billes de taille identique (plus grande que la profondeur du couvercle utilisé)
• Réservez
• Section de moquette ou de tapis 

Matériel requis pour le défi

• Crayons 100
• bande
• 25 élastiques

Matériaux d'essai

• Bureau ou petite table
• Section de moquette ou de tapis

Matériaux

• Bureau ou petite table
• Section de moquette ou de tapis

Processus

Les équipes testent leurs conceptions en montrant comment elles peuvent déplacer le bureau/la table de 10 pieds avec seulement leur index.

Défi de conception

Vous êtes une équipe d'ingénieurs travaillant ensemble pour concevoir un système utilisant des roulements à rouleaux pour déplacer l'un de vos bureaux de classe, ou une table, de 10 pieds. Limitez la force que vous appliquez pour faire bouger le bureau ou la table à ce que vous pouvez pousser en utilisant uniquement votre index.

Critères

• Doit déplacer le bureau ou la table de 10 pieds.
• Utilisez uniquement votre index pour déplacer le bureau ou la table.

contraintes

• Ne peut utiliser que jusqu'à 100 crayons, ruban adhésif et 25 élastiques
• Utilisez uniquement les matériaux qui vous sont fournis.

1. Divisez la classe en équipes de 3 à 4.
2. Distribuez la feuille de travail Obtenir vos repères, ainsi que des feuilles de papier pour esquisser des conceptions.
3. Discutez des sujets de la section Concepts de base. Demandez aux élèves de sentir la force de la friction lorsqu'ils essaient de déplacer le couvercle (partie ouverte vers le bas) du bocal sur différentes surfaces : dessus de bureau, sol carrelé, morceau de tapis. Demandez aux élèves de suggérer différentes machines qui incorporent des roulements à billes ou à rouleaux.
4. Passez en revue le processus de conception technique, le défi de conception, les critères, les contraintes et les matériaux.
5. Fournissez à chaque équipe son matériel.
6. Dites aux élèves qu'ils effectueront 3 activités, puis un défi.
   Activité 1 : Les élèves essaient de déplacer le couvercle qui leur est fourni sur plusieurs surfaces – livre, bureau, sol, tapis.
   Activité 2 : Les élèves placent juste assez de billes dans le couvercle du bocal pour presque remplir l'espace de billes (ils ne doivent pas trop le remplir pour que les billes ne puissent pas bouger librement). Ensuite, ils doivent utiliser un livre pour retourner le couvercle, puis essayer de déplacer le couvercle avec les « boules » en marbre.
   Activité 3 : Les élèves essaient une variante où un livre ou un autre poids est placé sur le couvercle (avec et sans billes).
7. Expliquez que pour le défi, les élèves doivent concevoir un système utilisant des roulements à rouleaux pour déplacer l'un des bureaux de la classe ou une table de 10 pieds. Ils doivent limiter la force qu'ils appliquent pour faire bouger le bureau ou la table à ce qu'ils peuvent pousser en utilisant uniquement votre index.
8. Annoncez le temps dont ils disposent pour concevoir et construire (1 heure recommandée).
9. Utilisez une minuterie ou un chronomètre en ligne (fonction de compte à rebours) pour vous assurer de rester à l'heure. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Donnez aux élèves des «contrôles de temps» réguliers pour qu'ils restent concentrés sur la tâche. S'ils éprouvent des difficultés, posez des questions qui les mèneront plus rapidement à une solution.
10. Les élèves se rencontrent et élaborent un plan pour leur système de roulement à rouleaux. Ils se mettent d'accord sur le matériel dont ils auront besoin, écrivent/dessinent leur plan et présentent leur plan à la classe.
11. Les équipes construisent leurs conceptions.
12. Les équipes testent leurs conceptions en montrant comment elles peuvent déplacer le bureau/la table de 10 pieds avec seulement leur index.
13. En classe, discutez des questions de réflexion des élèves.
14. Pour plus de contenu sur le sujet, consultez la section «Creuser plus profondément».

Facultatif pour les étudiants plus âgés

Travaillez en équipe pour explorer si d'autres formes de roulements pourraient avoir des avantages par rapport aux conceptions actuelles à billes ou à rouleaux. Pourquoi ou pourquoi pas?

Réflexion étudiante (cahier d'ingénierie)

1. Activité 1:
   – Quelle était la différence de frottement déplaçant le couvercle sur différentes surfaces ?
   – Quelle surface présentait le plus de friction ? Pourquoi?
2. Activité 2:
   – Quelle était la différence dans le frottement que vous avez rencontré avec le roulement des billes
   sous le couvercle ?
   – Les billes ont-elles aidé sur toutes les surfaces ? Seulement quelques?
   – Quelle surface, le cas échéant, présentait maintenant le plus de friction ? Pourquoi?
3. Activité 3:
   – La base en marbre permet-elle un mouvement plus facile lorsque des poids sont ajoutés ?
   – Pouvez-vous penser à une application pour un appareil comme celui-ci ?
   – Qui aurait besoin de déplacer des objets lourds ? Comment cela aiderait-il?
   – Citez trois machines différentes qui intègrent des roulements à billes ou à rouleaux.
4. Le défi :
   – Avez-vous planifié des travaux de conception ? Pourquoi ou pourquoi pas?
   – Quelles révisions avez-vous dû apporter à votre plan pour en faire une solution plus efficace ?
   – Avez-vous pu déplacer le bureau/la table en utilisant uniquement la force d'un index ?

La leçon peut être faite en aussi peu qu'une période de cours pour les élèves plus âgés. Cependant, pour aider les élèves à ne pas se sentir pressés et pour assurer la réussite des élèves (en particulier pour les élèves plus jeunes), divisez la leçon en deux périodes en leur donnant plus de temps pour réfléchir, tester des idées et finaliser leur conception. Faites les tests et faites le compte rendu lors de la prochaine période de classe.

Qu'est-ce que la friction?

Comment les roulements à billes aident-ils? 

Friction

La friction est un terme qui décrit la résistance qu'il y a pour que deux objets se déplacent sur un autre. Plus le frottement est important, plus il est difficile pour les deux objets de se déplacer en douceur. Avec moins de friction, les objets se déplacent facilement et en douceur les uns contre les autres. Par exemple, un morceau de caoutchouc aurait une plus grande friction sur un tapis qu'un manuel lisse. Dans les machines, les pièces frottent les unes contre les autres et une friction accrue peut user les pièces plus rapidement.

Roulements à billes

Le terme roulement à billes désigne parfois un ensemble de roulements qui utilise des roulements sphériques comme éléments roulants. Cela signifie également une bille individuelle pour un ensemble de roulement. Les roulements à billes sont fabriqués à partir de nombreux matériaux différents, notamment la céramique, les métaux, l'acier inoxydable et d'autres matériaux hybrides. Ils aident à réduire la friction, ce qui permet aux machines de fonctionner plus longtemps. Ils peuvent également permettre à une machine de fonctionner plus silencieusement. Les roulements ont été conçus sur un principe simple : les objets roulent plus facilement qu'ils ne glissent. Lorsque deux objets glissent l'un contre l'autre, comme un livre sur une table ou un pot sur un tapis, la friction entre les surfaces ralentit le mouvement. Si les objets pouvaient à la place, rouler les uns sur les autres, alors la quantité de surface qui se touche est limitée et donc la friction est réduite.

Roulements à éléments roulants

Un roulement à éléments roulants est un roulement qui supporte une charge en plaçant des éléments ronds entre les deux pièces. Le mouvement relatif des pièces fait que les éléments ronds roulent (chute) avec peu de glissement. Sur la photo, vous pouvez voir comment les balles sont enfermées entre les parties rondes. L'un des roulements à billes les plus anciens et les plus connus est constitué d'ensembles de rondins posés sur le sol avec un gros bloc de pierre sur le dessus. Lorsque la pierre est tirée, les bûches roulent sur le sol avec peu de frottement de glissement. Au fur et à mesure que chaque bûche sort par l'arrière, elle est déplacée vers l'avant où le bloc roule ensuite dessus. Vous pouvez imiter un tel roulement en plaçant plusieurs stylos ou crayons sur une table et en plaçant votre main dessus.

Des vélos sans roulements à billes ? Montagnes russes sans roulements à rouleaux ?

Les vélos sont un excellent exemple de machine qui utilise des roulements à billes pour réduire la friction. Des roulements à billes peuvent être trouvés dans les pédales, dans les moyeux avant et arrière pour les roues, et le tube où le guidon est fixé. Et les planches à roulettes et les patins à roulettes incluent également des roulements à billes ! Au-delà de ces exemples, les roulements à billes sont un élément de conception important des plates-formes de forage pétrolier, des avions et des automobiles. Les roulements à rouleaux sont utilisés dans les montagnes russes !

Historique des roulements à billes – Évolution du produit  

Histoire

Un premier exemple de roulement à billes en bois supportant une table tournante a été récupéré dans les restes d'un navire romain sur le lac de Nemi, en Italie. L'épave était datée de 40 av. Léonard de Vinci aurait décrit un type de roulement à billes vers l'an 1500. L'un des problèmes avec les roulements à billes est qu'ils peuvent se frotter les uns contre les autres, provoquant un frottement supplémentaire, mais cela peut être évité en enfermant les billes dans une cage. . Le roulement à billes capturé, ou en cage, a été décrit à l'origine par Galilée dans les années 1600.

Innovation

Henry Timken, un visionnaire du XIXe siècle et un innovateur dans la fabrication de chariots, a breveté le roulement à rouleaux coniques en 19. Il a imaginé une entreprise fondée sur la résolution d'un problème technique critique et séculaire : la friction, la force qui empêche le mouvement des objets en contact avec l'un l'autre. "L'homme qui pourrait concevoir quelque chose qui réduirait fondamentalement les frictions", a observé Timken, "réaliserait quelque chose de réelle valeur pour le monde." L'année suivante, il a formé The Timken Company pour produire son innovation.

Conception et amélioration des produits

À l'époque où Henry a commencé ses travaux de développement, le roulement dominant était le roulement lisse, ou «à friction», qui avait été utilisé avec peu de changements depuis les temps anciens. Il s'agissait essentiellement d'un revêtement métallique dans le trou autour d'un arbre rotatif, le travail principal de réduction du frottement dépendant de la lubrification. Henry a commencé à expérimenter avec des roulements à billes, mais ils ont rapidement échoué à cause de l'usure. Il a conclu que les roulements à « rouleaux » étaient plus prometteurs pour les véhicules, comme les automobiles, car le poids de la charge - tellement plus lourd que sur un vélo - pouvait être transporté sur toute la longueur des rouleaux, par opposition au seul point de contact sur chaque bille dans les roulements à billes. Henry a essayé des rouleaux droits mais a opté pour des rouleaux coniques, ce qui a permis aux roulements de supporter des forces dans toutes les directions. Depuis 1899, The Timken Company a produit plus de six milliards de roulements et fabrique désormais des roulements de nombreux types différents.

Industries et applications

Les roulements à billes sont utilisés dans la plupart des industries, y compris le transport, l'aérospatiale, la fabrication, l'agriculture et le sport/le divertissement. Vous trouverez quelques exemples de roulements à billes ou à rouleaux utilisés dans les roues d'atterrissage d'avions, les éoliennes, les satellites et les laminoirs. Les roulements miniatures peuvent être trouvés dans des applications médicales telles que l'équipement dentaire.

Connexions Internet

• American Bearing Manufacturers Association – Chronologie des roulements

lecture recommandée

• Timken : Du Missouri à Mars - Un siècle de leadership dans la fabrication (ISBN : 0875848877)
• La science du vélo, par David Gordon Wilson (ISBN : 0262731541)
• Roulements à billes et à rouleaux : théorie, conception et application (ISBN : 0471984523)

Activité d'écriture

Rédigez un essai ou un paragraphe décrivant trois machines différentes qui intègrent des roulements à billes ou à rouleaux. Comment l'utilisation des roulements améliore-t-elle la machine ?

Alignement sur les cadres de programmes

Remarque: Les plans de cours de cette série sont alignés sur un ou plusieurs des ensembles de normes suivants:

• S. Normes d'enseignement scientifique (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Normes scientifiques de nouvelle génération (http://www.nextgenscience.org/)
• Normes d'alphabétisation technologique de l'Association internationale pour l'éducation technologique (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S.National Council of Teachers of Mathematics 'Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Normes d'État de base communes pour les mathématiques (http://www.corestandards.org/Math)
• Association des professeurs d'informatique K-12 Normes d'informatique (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Normes nationales d'enseignement scientifique De la maternelle à la 4e année (4 à 9 ans)

NORME DE CONTENU B: Science physique

À la suite de leurs activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• Propriétés des objets et des matériaux
• Position et mouvement des objets

NORME DE CONTENU E: Science et technologie

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer

• Capacités de conception technologique

NORME DE CONTENU G: Histoire et nature de la science

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• La science comme entreprise humaine

Normes nationales d'enseignement scientifique De la 5e à la 8e année (10 à 14 ans)

NORME DE CONTENU B: Science physique

À la suite de leurs activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• Propriétés et changements de propriétés dans la matière
• Mouvements et forces
• Transfert d'énergie

NORME DE CONTENU E: Science et technologie

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer

• Capacités de conception technologique

NORME DE CONTENU G: Histoire et nature de la science

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• La science comme entreprise humaine
• Histoire de la science

Normes nationales d'enseignement scientifique De la 9e à la 12e année (14 à 18 ans)

NORME DE CONTENU B: Science physique

À la suite de leurs activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• Mouvements et forces
• Interactions de l'énergie et de la matière

NORME DE CONTENU E: Science et technologie

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer

• Capacités de conception technologique
• Compréhension de la science et de la technologie

Normes nationales d'enseignement scientifique De la 9e à la 12e année (14 à 18 ans)

NORME DE CONTENU F: La science dans des perspectives personnelles et sociales

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• La science et la technologie dans les défis locaux, nationaux et mondiaux

NORME DE CONTENU G: Histoire et nature de la science

À la suite des activités, tous les élèves devraient développer une compréhension

• Perspectives historiques

Normes scientifiques de nouvelle génération - 2e à 5e année (7 à 11 ans)

La matière et ses interactions

• 2-PS1-2. Analysez les données obtenues en testant différents matériaux pour déterminer quels matériaux ont les propriétés les mieux adaptées à un usage prévu.

Mouvement et stabilité: forces et interactions

Les étudiants qui font preuve de compréhension peuvent:

• 3-PS2-1. Planifier et mener une enquête pour fournir des preuves des effets de forces équilibrées et déséquilibrées sur le mouvement d'un objet.

Conception technique

Les étudiants qui font preuve de compréhension peuvent:

• 3-5-ETS1-1.Définissez un problème de conception simple reflétant un besoin ou un besoin qui inclut des critères spécifiés de succès et des contraintes sur les matériaux, le temps ou le coût.
• 3-5-ETS1-2.Générer et comparer plusieurs solutions possibles à un problème en fonction de la mesure dans laquelle chacune est susceptible de répondre aux critères et aux contraintes du problème.

Normes scientifiques de nouvelle génération - 6e à 8e année (11 à 14 ans)

Conception technique

Les étudiants qui font preuve de compréhension peuvent:

• MS-ETS1-2 Évaluer les solutions de conception concurrentes à l'aide d'un processus systématique pour déterminer dans quelle mesure elles répondent aux critères et aux contraintes du problème.

Normes de littératie technologique - Tous les âges

Technologie et société

• Norme 6: Les élèves développeront une compréhension du rôle de la société dans le développement et l'utilisation de la technologie.
• Norme 7: Les élèves développeront une compréhension de l'influence de la technologie sur l'histoire.

Conception

• Norme 8: Les élèves développeront une compréhension des attributs de la conception.

Norme 9 : Les étudiants développeront une compréhension de l'ingénierie

Première étape:

Lisez les fiches de référence de l'élève pour en savoir plus sur les roulements, ainsi que sur l'histoire et l'évolution des roulements à billes et à rouleaux.

Deuxième étape:

En groupes de 3 à 4 élèves, essayez de déplacer le couvercle qui vous est fourni sur plusieurs surfaces : livre, bureau, sol, tapis.

Question:

1. Quelle était la différence de frottement déplaçant le couvercle sur différentes surfaces ? Quelle surface présentait le plus de friction ? Pourquoi?

Troisième étape:

Placez juste assez de billes dans le couvercle du pot pour presque remplir l'espace de billes (ne pas trop remplir pour que les billes ne puissent pas bouger librement). Utilisez un livre pour retourner le couvercle et essayez maintenant de déplacer le couvercle avec les « billes » en marbre qui aident à déplacer le couvercle à friction sur les mêmes surfaces que vous avez essayées précédemment.

Les questions:

1. Quelle a été la différence dans la friction que vous avez ressentie avec les billes roulant sous le couvercle ?

2. Les billes ont-elles aidé sur toutes les surfaces ? Seulement quelques? Quelle surface, le cas échéant, présentait maintenant le plus de friction ? Pourquoi?

Quatrième étape:

Essayez une variante où un livre ou un autre poids est placé sur le couvercle (avec et sans billes).

Les questions:

1. La base en marbre permet-elle un mouvement plus facile lorsque des poids sont ajoutés ?

2. Pouvez-vous penser à une application pour un appareil comme celui-ci ? Qui aurait besoin de déplacer des objets lourds ? Comment cela aiderait-il?

3. Énumérez trois machines différentes qui intègrent des roulements à billes ou des roulements à rouleaux.

1:_____________ 2. ______________ 3._____________

Feuille de travail facultative de l'étudiant :
Vous êtes l'ingénieur ! Résolution de problèmes avec les roulements à rouleaux

Instructions

Vous êtes l'ingénieur ! Travaillez en équipe et concevez un plan à l'aide de roulements à rouleaux pour déplacer l'un des bureaux de votre classe ou une table de 10 pieds à l'aide du matériel fourni. Défi : limitez la force que vous appliquez pour faire bouger le bureau ou la table à ce que vous pouvez pousser en utilisant uniquement votre index. Vous pouvez utiliser jusqu'à 100 crayons, ruban adhésif.

Matériaux

Un ensemble de matériel pour chaque groupe d'étudiants:

• Crayons 100
• le ruban
• élastiques
• Section de moquette ou de tapis

Première étape:

Dessinez une illustration montrant votre solution prévue ci-dessous.

Deuxième étape:

Essayez votre plan ! Voyez si vous pouvez déplacer le bureau en utilisant uniquement - les ingénieurs travaillent à différentes échelles tout le temps !

Les questions:

1. Avez-vous planifié des travaux de conception ? Pourquoi ou pourquoi pas?

2. Quelles révisions avez-vous dû apporter à votre plan pour en faire une solution plus efficace ?

3. Avez-vous pu déplacer le bureau/la table en utilisant uniquement la force d'un index ?