Comezar os seus rodamentos

Construír materiais (para cada equipo)

Materiais necesarios para as actividades 1, 2, 3

• Tapa do frasco (de maionesa ou recipiente similar)
• 25 mármores de tamaño idéntico (maior que a profundidade da tapa usada)
• libro
• Sección de alfombra ou alfombra 

Materiais necesarios para o reto

• 100 lapis
• Tapa
• 25 gomas

Proba de materiais

• Escritorio ou mesa pequena
• Sección de alfombra ou alfombra

Obras

• Escritorio ou mesa pequena
• Sección de alfombra ou alfombra

Proceso

Os equipos proban os seus deseños mostrando como poden mover a mesa / mesa 10 metros só co dedo índice.

Deseño Challenge

Vostede é un equipo de enxeñeiros que traballa xuntos para deseñar un sistema con rodamentos de rolos para mover un dos escritorios da aula ou unha mesa de 10 pés. Limita a forza que aplicas para que a mesa ou a mesa se mova ao que podes empregar usando só o dedo índice.

Criterios

• Debe mover a mesa ou a mesa de 10 pés.
• Use só o dedo índice para mover a mesa ou a mesa.

Restriccións

• Só se poden usar ata 100 lapis, cinta adhesiva e 25 gomas
• Use só os materiais que lle proporcionaron.

1. Break clase en equipos de 3-4.
2. Entrega a folla de traballo Getting your Bearings, así como algunhas follas de papel para esbozar deseños.
3. Debate sobre os temas na sección Conceptos de fondo. Pídalles aos alumnos que sintan a forza da fricción cando intentan mover a tapa (parte aberta cara abaixo) do frasco a través de diferentes superficies: encimera, chan de baldosas, alfombra. Pídalles aos alumnos que suxiran diferentes máquinas que incorporen rodamentos de bolas ou rodamentos.
4. Revise o proceso de deseño de enxeñaría, o desafío de deseño, os criterios, as restricións e os materiais.
5. Proporcionar a cada equipo os seus materiais.
6. Indique aos estudantes que realizarán 3 actividades e logo un desafío.
   Actividade 1: os alumnos intentan mover a tapa que lles proporcionan por varias superficies: libro, escritorio, chan, alfombra.
   Actividade 2: os alumnos colocan o suficiente mármores na tapa do frasco para case encher o espazo de mármores (non deben enchelo en exceso para que os mármores non poidan moverse libremente). A continuación, deberían usar un libro para darlle a volta á tapa e despois intentar mover a tapa coas "bolas" de mármore.
   Actividade 3: os alumnos proban unha variación onde se coloca un libro ou outro peso encima da tapa (con e sen mármores).
7. Explique que para o desafío os estudantes deben deseñar un sistema que empregue rodamentos de rolos para mover un dos escritorios da aula ou unha mesa de 10 pés. Deberían limitar a forza que aplican para que a mesa ou a mesa se mova ao que poden empurrar usando só o dedo índice.
8. Anuncia o tempo que teñen para deseñar e construír (recoméndase 1 hora).
9. Use un temporizador ou un cronómetro en liña (función de conta atrás) para asegurarse de manter o tempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dálles aos estudantes "controis de tempo" regulares para que poidan seguir a tarefa. Se están loitando, faga preguntas que os leven a unha solución máis rápido.
10. Os estudantes reúnense e desenvolven un plan para o seu sistema de rodamentos. Acordan os materiais que necesitarán, escriben / debuxan o seu plan e presentan o seu plan á clase.
11. Os equipos constrúen os seus deseños.
12. Os equipos proban os seus deseños mostrando como poden mover a mesa / mesa 10 metros só co dedo índice.
13. Como clase, debate sobre as preguntas de reflexión do alumno.
14. Para obter máis contido sobre o tema, consulte a sección "Máis profundo".

Opcional para estudantes maiores

Traballa en equipo para explorar se outras formas de rodamentos poden ter vantaxes sobre os deseños actuais de bolas ou rodillos. Por que ou por que non?

Reflexión do estudante (caderno de enxeñaría)

1. Actividade 1:
   - Cal era a diferenza na fricción movendo a tapa por diferentes superficies?
   - Que superficie presentou máis rozamento? Por que?
2. Actividade 2:
   - Cal foi a diferenza na fricción que experimentou cos bolos rodando
   baixo a tapa?
   - Axudaron as canicas en todas as superficies? Só algúns?
   - Que superficie, se a houbese, agora presenta máis rozamento? Por que?
3. Actividade 3:
   - ¿A base de mármore permite un movemento máis sinxelo cando se engaden pesos?
   - ¿Se che ocorre unha aplicación para un dispositivo coma este?
   - Quen tería que mover elementos con pesos pesados? Como axudaría isto?
   - Enumera tres máquinas diferentes que incorporan rodamentos de bolas ou rodamentos.
4. Desafío:
   - ¿Planeaba un traballo de deseño? Por que ou por que non?
   - Que revisións tivo que facer no seu plan para que fose unha solución máis eficaz?
   - ¿Foi capaz de mover a mesa / mesa empregando só a forza dun dedo índice?

A lección pódese facer en tan só 1 período de clase para estudantes maiores. Non obstante, para evitar que os estudantes se sintan apresurados e para garantir o éxito dos estudantes (especialmente para os máis novos), divida a lección en dous períodos dándolle aos estudantes máis tempo para facer unha pluja de ideas, probar ideas e finalizar o seu deseño. Realice as probas e o resumo no seguinte período de clases.

Que é Friction?

Como axudan os rodamentos de bolas? 

Fricción

Fricción é un termo que describe canta resistencia hai para que dous obxectos se movan sobre outro. Canto maior é a fricción, máis difícil é que os dous obxectos se movan sen problemas. Con menos fricción, os obxectos móvense facilmente e sen problemas uns contra os outros. Por exemplo, un anaco de goma tería unha maior fricción que se move sobre unha alfombra que un libro de texto liso. Nas máquinas, as pezas frótanse entre si e unha maior fricción pode desgastar as pezas máis rápido.

rodamentos

O termo rodamento de bolas ás veces significa un conxunto de rodamentos que utiliza rodamentos esféricos como elementos rodantes. Tamén significa unha bola individual para un conxunto de rodamentos. Os rodamentos de bolas están feitos de moitos materiais diferentes, incluíndo cerámica, metais, aceiro inoxidable e outros materiais híbridos. Axudan a reducir a fricción que fai que as máquinas funcionen máis tempo. Tamén poden permitir que unha máquina funcione con máis tranquilidade. Os rodamentos deseñáronse sobre un principio sinxelo: os obxectos rodan máis facilmente do que deslizan. Cando dous obxectos se deslizan uns contra os outros, como un libro sobre unha mesa ou un frasco sobre unha alfombra, a fricción entre as superficies funciona para diminuír o movemento. Se os obxectos puidesen rolar uns sobre os outros, entón a cantidade de superficie que se toca é limitada, polo que se reduce a fricción.

Rodamentos de elementos rodantes

Un rodamento de elementos rodantes é un rodamento que leva unha carga colocando elementos redondos entre as dúas pezas. O movemento relativo das pezas fai que os elementos redondos roden (caen) con pouco deslizamento. Na imaxe pódese ver como as bolas están envoltas entre as partes redondas. Un dos rodamentos de elementos rodantes máis antigos e máis coñecidos son os conxuntos de troncos colocados no chan cun gran bloque de pedra na parte superior. A medida que se tira a pedra, os troncos rodan polo chan con pouco rozamento deslizante. A medida que cada rexistro sae pola parte traseira, móvese cara á fronte onde o bloque rola cara a el. Podes imitar tal rolamento colocando varios bolígrafos ou lapis sobre unha mesa e colocando a man sobre eles.

Bicicletas sen rodamentos de esfera? Montañas rusas sen rodamentos?

As bicicletas son un gran exemplo de máquina que usa rodamentos de bolas para reducir a fricción. Os rodamentos de esfera pódense atopar nos pedais, nos cubos dianteiro e traseiro das rodas e no tubo onde están fixados o manillar. E os monopatíns e as patas tamén inclúen rodamentos de bolas. Máis aló destes exemplos, os rodamentos de esferas son un importante elemento de deseño de plataformas de perforación de petróleo, avións e automóbiles. Os rodamentos de rolos úsanse nas montañas rusas.

Historia do rodamento de bolas - Evolución do produto  

historia

Un dos primeiros exemplos dun rodamento de bolas de madeira que soportaba unha mesa xiratoria foi recuperado dos restos dun barco romano no lago Nemi, Italia. O naufraxio foi datado no 40 a.C. Dise que Leonardo da Vinci describiu un tipo de rodamentos de bolas ao redor do ano 1500. Un dos problemas cos rodamentos de esferas é que poden rozarse uns cos outros, provocando friccións adicionais, pero isto pódese evitar encerrando as bolas nunha gaiola. . O rodamento de bolas capturado ou engaiolado foi orixinalmente descrito por Galileo na década de 1600.

Innovación

Henry Timken, visionario do século XIX e innovador na fabricación de carros, patentou o rodamento de rolos cónicos en 19. Imaxinou un negocio construído sobre a resolución dun problema técnico crítico e antigo: a fricción, a forza que impide o movemento de obxectos en contacto con uns aos outros. "O home que puidese idear algo que reducise fundamentalmente a fricción", observou Timken, "conseguiría algo de verdadeiro valor para o mundo". O ano seguinte formou The Timken Company para producir a súa innovación.

Deseño e mellora de produtos

Cando Henry comezou o seu traballo de desenvolvemento, o rolamento dominante era o rodamento liso ou "fricción", que se usaba con poucos cambios desde a antigüidade. Foi esencialmente un forro metálico no burato ao redor dun eixe xiratorio, co traballo principal de redución de fricción dependendo da lubricación. Henry comezou a experimentar con rodamentos de esferas pero fallaron rapidamente por desgaste. Concluíu que os rodamentos de "rodillos" eran máis prometedores para vehículos, como os automóbiles, porque o peso da carga -moi máis pesado que nunha bicicleta- podería transportarse ao longo da lonxitude total dos rodetes, ao contrario do único punto de contacto de cada bola nos rodamentos de bolas. Henry probou rodetes rectos pero instalouse en cónico, o que permitía aos rodamentos soster forzas de todas as direccións. Desde 1899, The Timken Company produciu máis de seis millóns de rodamentos e agora fabrica rodamentos de moitos tipos diferentes.

Industrias e aplicacións

Os rodamentos de esferas úsanse na maioría das industrias, incluíndo transporte, aeroespacial, fabricación, agricultura e deportes / entretemento. Atoparás algúns exemplos de rodamentos de bolas ou rodamentos empregados en rodas de aterraxe de avións, aeroxeradores, satélites e laminadores. Os rodamentos en miniatura pódense atopar en aplicacións médicas como equipos dentais.

Conexións a Internet

• Asociación Americana de Fabricantes de Rodamentos - Cronoloxía de rodamentos

Lectura recomendada

• Timken: De Missouri a Marte: un século de liderado na fabricación (ISBN: 0875848877)
• Bicycling Science, de David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Rodamentos de bolas e rodillos: teoría, deseño e aplicación (ISBN: 0471984523)

Actividade escrita

Escribe un ensaio ou un parágrafo que describa tres máquinas diferentes que incorporan rodamentos de bolas ou rodamentos. Como mellora a máquina o uso dos rodamentos?

Aliñación aos marcos curriculares

Nota: Os plans de lección desta serie están aliñados a un ou máis dos seguintes conxuntos de estándares:

• S. Normas de educación científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Estándares científicos de próxima xeración (http://www.nextgenscience.org/)
• Normas de alfabetización tecnolóxica da International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Principios e estándares para as matemáticas escolares do Consello Nacional de Profesores de Matemáticas (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Normas básicas comúns estatais para matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
• Asociación de Profesores de Informática K-12 Normas de Informática (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Normas nacionais de educación científica Graos K-4 (idades 4-9)

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das súas actividades, todos os estudantes deben comprender

• Propiedades de obxectos e materiais
• Posición e movemento dos obxectos

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• A ciencia como un esforzo humano

Normas nacionais de educación científica 5-8 anos (10-14 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das súas actividades, todos os estudantes deben comprender

• Propiedades e cambios de propiedades na materia
• Mocións e forzas
• Transferencia de enerxía

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• A ciencia como un esforzo humano
• Historia da ciencia

Normas nacionais de educación científica 9-12 anos (14-18 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das súas actividades, todos os estudantes deben comprender

• Mocións e forzas
• Interaccións de enerxía e materia

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico
• Comprensión sobre ciencia e tecnoloxía

Normas nacionais de educación científica 9-12 anos (14-18 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO F: Ciencia en perspectivas persoais e sociais

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Ciencia e tecnoloxía nos retos locais, nacionais e globais

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Perspectivas históricas

Estándares de ciencia de nova xeración: 2o e 5o grao (7-11 anos)

A materia e as súas interaccións

• 2-PS1-2. Analiza os datos obtidos da proba de diferentes materiais para determinar que materiais teñen as propiedades máis adecuadas para o propósito previsto.

Movemento e estabilidade: forzas e interaccións

Os estudantes que demostren comprensión poden:

• 3-PS2-1. Planifique e realice unha investigación para proporcionar evidencias dos efectos das forzas equilibradas e desequilibradas no movemento dun obxecto.

Deseño de enxeñaría

Os estudantes que demostren comprensión poden:

• 3-5-ETS1-1.Define un problema de deseño sinxelo que reflicta unha necesidade ou un desexo que inclúa criterios específicos de éxito e restricións de materiais, tempo ou custo.
• 3-5-ETS1-2.Xerar e comparar múltiples solucións posibles a un problema en función do ben que cada un cumpra os criterios e as restricións do problema.

Estándares de ciencia de nova xeración: 6o e 8o grao (11-14 anos)

Deseño de enxeñaría

Os estudantes que demostren comprensión poden:

• MS-ETS1-2 Avalía solucións de deseño competitivas mediante un proceso sistemático para determinar o ben que cumpren os criterios e as restricións do problema.

Normas para a alfabetización tecnolóxica - Todas as idades

Tecnoloxía e Sociedade

• Norma 6: os estudantes desenvolverán unha comprensión do papel da sociedade no desenvolvemento e uso da tecnoloxía.
• Estándar 7: os estudantes desenvolverán unha comprensión da influencia da tecnoloxía na historia.

Proxecto

• Estándar 8: os estudantes desenvolverán unha comprensión dos atributos do deseño.

Norma 9: os estudantes desenvolverán unha comprensión da enxeñaría

Primeiro paso:

Lea as follas de referencia para estudantes para coñecer os rodamentos e a historia e evolución dos rodamentos de esferas e rodamentos.

Paso dous:

Traballando en grupos de 3-4 estudantes, proba a mover a tapa que che proporcionan por varias superficies: libro, escritorio, chan, alfombra.

Pregunta:

1. Cal era a diferenza na fricción movendo a tapa por diferentes superficies? Que superficie presentou máis fricción? Por que?

Paso tres:

Coloque os cantos suficientes na tapa do frasco para case encher o espazo de canicas (non enchelos demasiado para que os canicas non poidan moverse libremente). Utilice un libro para darlle a volta á tapa e, agora, intente mover a tapa coas "bolas" de mármore proporcionando axuda cos movementos da tapa de fricción sobre as mesmas superficies probadas anteriormente.

Preguntas:

1. Cal foi a diferenza na fricción que experimentou coas canicas rodando baixo a tapa?

2. Axudaron as canicas en todas as superficies? Só algúns? Que superficie, se hai algunha, ten agora máis fricción? Por que?

Catro Paso:

Proba unha variación onde se coloque un libro ou outro peso sobre a tapa (con e sen mármores).

Preguntas:

1. A base de mármore permite un movemento máis sinxelo cando se engaden pesos?

2. ¿Se che ocorre unha aplicación para un dispositivo coma este? Quen tería que mover elementos con pesos pesados? Como axudaría isto?

3. Enumera tres máquinas diferentes que incorporan rodamentos de bolas ou rodamentos de rolos.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Folla de traballo opcional para estudantes:
Vostede é o enxeñeiro! Resolución de problemas con rodamentos de rolos

instrucións

Vostede é o enxeñeiro! Traballa en equipo e elabora un plan con rodamentos de rolos para mover un dos escritorios da túa aula ou unha mesa de 10 pés empregando os materiais proporcionados. Desafío: limita a forza que aplicas para que a mesa ou a mesa se mova ao que podes empurrar usando só o dedo índice. Podes usar ata 100 lapis, cinta adhesiva.

Obras

Un conxunto de materiais para cada grupo de estudantes:

• 100 lapis
• cinta
• gomas
• Sección de alfombra ou alfombra

Primeiro paso:

Debuxa unha ilustración que mostre a túa solución prevista a continuación.

Paso dous:

Proba o teu plan. Mira se podes mover o escritorio só usando: os enxeñeiros traballan en diferentes escalas todo o tempo.

Preguntas:

1. ¿Planeaba un traballo de deseño? Por que ou por que non?

2. Que revisións tivo que facer no seu plan para que fose unha solución máis eficaz?

3. ¿Foi capaz de mover a mesa / mesa empregando só a forza dun dedo índice?