Dobijanje ležajeva

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potrebni materijali za aktivnosti 1, 2, 3

• Poklopac staklenke (od majoneze ili sličnog spremnika)
• 25 klikera identične veličine (veće od dubine korištenog poklopca)
• Rezervišite
• Dio tepiha ili tepiha 

Potrebni materijali za izazov

• 100 olovaka
• Traka
• 25 gumice

Materijali za ispitivanje

• Stol ili mali stol
• Dio tepiha ili tepiha

Materijali

• Stol ili mali stol
• Dio tepiha ili tepiha

Postupak

Timovi testiraju svoje dizajne pokazujući kako mogu pomicati stol/stol 10 stopa samo s kažiprstom.

Dizajn Challenge

Vi ste tim inženjera koji zajedno rade na projektiranju sustava pomoću valjkastih ležajeva za pomicanje jedne od vaših učionica ili stola za 10 stopa. Ograničite silu koju primjenjujete da bi se stol ili stol pomaknuo na ono što možete pritisnuti samo kažiprstom.

Kriteriji

• Morate premjestiti stol ili stol 10 stopa.
• Za pomicanje stola ili stola koristite samo kažiprst.

ograničenja

• Može se koristiti samo do 100 olovaka, traka i 25 gumica
• Koristite samo materijale koje ste dobili.

1. Razbijte razred u timove od 3-4.
2. Podijelite radni list Getting your Bearings, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
3. Raspravljajte o temama u odjeljku Pozadinski pojmovi. Zamolite učenike da osjete snagu trenja pri pokušaju pomicanja poklopca (otvorenog dijela prema dolje) staklenke po različitim površinama: radna površina, pod od pločica, komad tepiha. Zamolite učenike da predlože različite strojeve koji sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.
4. Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
5. Osigurajte svakom timu svoje materijale.
6. Recite učenicima da će dovršiti 3 aktivnosti, a zatim izazov.
   Aktivnost 1: Učenici pokušavaju premjestiti poklopac koji im je pružen na nekoliko površina - knjigu, radnu površinu, pod, tepih.
   Aktivnost 2: Učenici stavljaju taman toliko mramora u poklopac staklenke da gotovo ispune prostor klikerima (ne smiju ga pretrpati tako da se klikeri ne mogu slobodno kretati). Zatim bi trebali knjigom okrenuti poklopac, a zatim pokušati pomaknuti poklopac s mramornim "kuglicama".
   Aktivnost 3: Učenici isprobavaju varijaciju u kojoj se na vrh poklopca stavlja knjiga ili drugi uteg (sa i bez klikera).
7. Objasnite da za izazov studenti moraju projektirati sustav pomoću valjkastih ležajeva za pomicanje jedne od učionica ili stola za 10 stopa. Trebali bi ograničiti silu koju primjenjuju kako bi radni stol ili stol prešli na ono što mogu pritisnuti samo kažiprstom.
8. Najavite koliko im vremena treba za projektiranje i izradu (preporučuje se 1 sat).
9. Upotrijebite tajmer ili internetsku štopericu (značajka odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovite "vremenske provjere" kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
10. Učenici se sastaju i izrađuju plan svog sustava valjkastih ležajeva. Dogovaraju se o materijalima koji će im biti potrebni, pišu/crtaju svoj plan i prezentiraju svoj plan razredu.
11. Timovi grade svoje dizajne.
12. Timovi testiraju svoje dizajne pokazujući kako mogu pomicati stol/stol 10 stopa samo s kažiprstom.
13. Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
14. Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Izborno za starije studente

Radite u timovima kako biste istražili bi li drugi oblici ležajeva mogli imati prednosti u odnosu na trenutni dizajn kuglica ili valjaka. Zašto ili zašto ne?

Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)

1. Aktivnost 1:
   - Koja je razlika u trenju pri pomicanju poklopca po različitim površinama?
   - Koja je površina pokazala najveće trenje? Zašto?
2. Aktivnost 2:
   - Koja je bila razlika u trenju koje ste iskusili s valjanjem klikera
   ispod poklopca?
   - Jesu li klikeri pomogli na svim površinama? Samo neki?
   - Na kojoj je površini, ako postoji, sada izloženo najviše trenja? Zašto?
3. Aktivnost 3:
   - Omogućuje li mramorna baza lakše kretanje kad se dodaju utezi?
   - Možete li smisliti aplikaciju za ovakav uređaj?
   - Tko bi trebao premjestiti predmete velike težine? Kako bi ovo pomoglo?
   - Navedite tri različita stroja koji sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.
4. Izazov:
   - Jeste li planirali dizajnerske radove? Zašto ili zašto ne?
   - Koje ste izmjene i dopune načinili svom planu kako biste ga učinili učinkovitijim rješenjem?
   - Jeste li mogli pomaknuti stol/stol koristeći samo silu s jednog kažiprsta?

Lekcija se može izvoditi za samo 1 sat za starije učenike. Međutim, kako biste učenicima pomogli da se osjećaju požurjeno i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući studentima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Provedite testiranje i izvođenje u slijedećem razrednom terminu.

Što je trenje?

Kako pomažu kuglični ležajevi? 

Trenje

Trenje je pojam koji opisuje koliki otpor postoji za kretanje dva objekta nad drugim. Što je trenje veće, dva se objekta teže kreću glatko. S manje trenja, objekti se lako i glatko kreću jedan protiv drugog. Na primjer, komad gume imao bi veće trenje pri kretanju po tepihu od glatkog udžbenika. U strojevima se dijelovi trljaju jedan o drugi i povećano trenje može brže istrošiti dijelove.

Kuglični ležajevi

Izraz kuglični ležaj ponekad označava ležajni sklop koji koristi sferne ležajeve kao valjačke elemente. To također znači pojedinačnu kuglu za sklop ležaja. Kuglični ležajevi izrađeni su od mnogo različitih materijala, uključujući keramiku, metale, nehrđajući čelik i druge hibridne materijale. Pomažu u smanjenju trenja zbog čega strojevi duže rade. Također mogu dopustiti tišoj rad stroja. Ležajevi su konstruirani po jednostavnom principu - da se predmeti lakše kotrljaju nego klize. Kad dva predmeta klize jedan protiv drugog, poput knjige na stolu ili staklenke na tepihu, trenje između površina usporava kretanje. Ako bi se predmeti umjesto toga mogli prevrtati jedan preko drugog, tada je količina dodirne površine ograničena i tako se smanjuje trenje.

Ležajevi kotrljajućih elemenata

Ležaj s kotrljajućim ležajevima je ležaj koji nosi teret postavljanjem okruglih elemenata između dva dijela. Relativno kretanje komada uzrokuje kotrljanje okruglih elemenata s malim klizanjem. Na slici možete vidjeti kako su loptice zatvorene između okruglih dijelova. Jedan od najranijih i najpoznatijih ležajeva kotrljajućih elemenata su kompleti trupaca položeni na tlo s velikim kamenim blokom na vrhu. Dok se kamen povlači, trupci se kotrljaju po tlu s malim klizanjem. Kako svaki trupac izlazi straga, pomiče se prema naprijed gdje se blok zatim kotrlja na njega. Takav ležaj možete oponašati postavljanjem nekoliko olovaka ili olovaka na stol i stavljanjem ruke na njih.

Bicikli bez kugličnih ležajeva? Tobogani bez valjkastih ležajeva?

Bicikli su izvrstan primjer stroja koji koristi kuglične ležajeve za smanjenje trenja. Kuglični ležajevi mogu se naći u papučicama, u prednjim i stražnjim glavčinima za kotače te u cijevi na kojoj je pričvršćen upravljač. Klizaljke i valjci uključuju i kuglične ležajeve! Osim ovih primjera, kuglični ležajevi važan su element dizajna bušilica za naftu, zrakoplova i automobila. Valjkasti ležajevi se koriste u rolerkosterima!

Povijest kugličnih ležajeva - evolucija proizvoda  

Povijest

Rani primjer drvenog kugličnog ležaja koji podržava rotirajući stol izvučen je iz ostataka rimskog broda u jezeru Nemi u Italiji. Olupina je datirana u 40. pr. Za Leonarda da Vincija se kaže da je opisao vrstu kugličnog ležaja oko 1500. godine. Jedan od problema s kugličnim ležajevima je taj što se mogu trljati jedan o drugoga, uzrokujući dodatno trenje, ali to se može spriječiti zatvaranjem kuglica u kavez . Zarobljeni kuglični ležaj ili u kavezu prvotno ga je opisao Galileo 1600 -ih.

Inovacija

Henry Timken, vizionar i inovator u proizvodnji kolica iz 19. stoljeća, patentirao je konusni valjkasti ležaj 1898. Zamislio je posao izgrađen na rješavanju kritičnog, vjekovnog tehničkog problema: trenja, sile koja ometa kretanje objekata u dodiru s jedno drugo. "Čovjek koji je mogao smisliti nešto što bi u osnovi smanjilo trenje", primijetio je Timken, "postigao bi nešto od stvarne vrijednosti za svijet". Sljedeće godine osnovao je Timken Company kako bi proizveo svoju inovaciju.

Dizajn i poboljšanje proizvoda

Kad je Henry započeo svoj razvoj, dominantni ležaj bio je klizni ležaj ili ležaj koji se koristio s malim promjenama od davnina. To je u biti bila metalna košuljica u rupi oko rotirajućeg vratila, s glavnim radom smanjenja trenja ovisno o podmazivanju. Henry je počeo eksperimentirati s kugličnim ležajevima, no oni su se brzo istrošili. Zaključio je da se "valjkasti" ležajevi više obećavaju za vozila, poput automobila, jer se težina tereta- toliko veća nego na biciklu- mogla nositi po cijeloj dužini valjaka, za razliku od pojedinačnih kontaktna točka na svakoj kugličnoj ležajici. Henry je isprobao ravne valjke, ali se zadržao na suženim, što je ležajevima dopuštalo održavanje snaga iz svih smjerova. Od 1899. godine Timken Company je proizvela više od šest milijardi ležajeva, a sada proizvodi ležajeve različitih vrsta.

Industrije i primjene

Kuglični ležajevi koriste se u većini industrija, uključujući promet, zrakoplovstvo, proizvodnju, poljoprivredu i sport/zabavu. Naći ćete neke primjere kugličnih ili valjkastih ležajeva koji se koriste u desantnim kotačima zrakoplova, vjetroturbinama, satelitima i valjaonicama. Minijaturni ležajevi mogu se pronaći u medicinskim aplikacijama, poput stomatološke opreme.

Internetske veze

• Američko udruženje proizvođača ležajeva - Vremenski okvir ležajeva

Preporučena literatura

• Timken: Od Missourija do Marsa - stoljeće liderstva u proizvodnji (ISBN: 0875848877)
• Znanost o biciklizmu, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Kuglični i valjkasti ležajevi: teorija, dizajn i primjena (ISBN: 0471984523)

Aktivnost pisanja

Napišite esej ili odlomak koji opisuje tri različita stroja koji sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve. Kako uporaba ležajeva poboljšava stroj?

Usklađivanje s okvirima kurikuluma

Bilješka: Planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s jednim ili više sljedećih skupova standarda:

• S. Standardi za znanstveno obrazovanje (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Znanstveni standardi sljedeće generacije (http://www.nextgenscience.org/)
• Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nacionalno vijeće učitelja matematike "Principi i standardi za školsku matematiku" (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Uobičajeni osnovni državni standardi za matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Udruženje učitelja informatike K-12 Standardi računalnih znanosti (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi K-4 (starosti 4-9 godina)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Svojstva predmeta i materijala
• Položaj i kretanje predmeta

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost kao ljudski pothvat

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (dobi 10-14)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Svojstva i promjene svojstava u materiji
• Pokreti i sile
• Prijenos energije

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost kao ljudski pothvat
• Povijest znanosti

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Pokreti i sile
• Interakcije energije i materije

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

• Sposobnosti tehnološkog dizajna
• Razumijevanje znanosti i tehnologije

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Znanost i tehnologija u lokalnim, nacionalnim i globalnim izazovima

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

• Povijesne perspektive

Naučni standardi sljedeće generacije - razredi 2-5 (dob 7-11)

Materija i njezine interakcije

• 2-PS1-2. Analizirajte podatke dobivene ispitivanjem različitih materijala kako biste utvrdili koji materijali imaju svojstva koja su najprikladnija za namjeravanu svrhu.

Kretanje i stabilnost: Sile i interakcije

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 3-PS2-1. Planirajte i provedite istragu kako biste pružili dokaze o učincima uravnoteženih i neuravnoteženih sila na kretanje predmeta.

Inženjerski dizajn

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• 3-5-ETS1-1.Definirajte jednostavan dizajn problem koji odražava potrebu ili želju koji uključuje određene kriterije za uspjeh i ograničenja na materijale, vrijeme ili troškove.
• 3-5-ETS1-2. Izradite i usporedite više mogućih rješenja problema na temelju toga koliko je vjerojatno da će svako zadovoljiti kriterije i ograničenja problema.

Naučni standardi sljedeće generacije - razredi 6-8 (dob 11-14)

Inženjerski dizajn

Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:

• MS-ETS1-2 Procijenite konkurentska rješenja dizajna pomoću sustavnog postupka kako biste utvrdili koliko dobro zadovoljavaju kriterije i ograničenja problema.

Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka

Tehnologija i društvo

• Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i korištenju tehnologije.
• Standard 7: Studenti će razviti razumijevanje utjecaja tehnologije na povijest.

dizajn

• Standard 8: Studenti će razviti razumijevanje svojstava dizajna.

Standard 9: Studenti će razviti razumijevanje inženjerstva

Prvi korak:

Pročitajte učeničke referentne listove kako biste saznali o ležajevima te povijesti i evoluciji kugličnih i valjkastih ležajeva.

Drugi korak:

Radeći u skupinama od 3-4 učenika, pokušajte premjestiti poklopac koji vam je dat na nekoliko površina-knjigu, radnu površinu, pod, tepih.

Pitanje:

1. Koja je razlika u trenju pri premještanju poklopca po različitim površinama? Koja je površina pokazala najveće trenje? Zašto?

Treći korak:

U poklopac staklenke stavite samo toliko klikera da gotovo ispuni prostor klikerima (nemojte ga pretjerano puniti kako se klikeri ne bi mogli slobodno kretati). Okrenite poklopac pomoću knjige, a sada pokušajte pomaknuti poklopac s mramornim "kuglicama" pružajući pomoć pri pomicanju trenja poklopca po istim površinama koje ste prethodno pokušali.

Pitanja:

1. Koja je razlika u trenju koje ste iskusili s klikerima koji su se kotrljali ispod poklopca?

2. Jesu li klikeri pomogli na svim površinama? Samo neki? Na kojoj je površini, ako postoji, sada izloženo najviše trenja? Zašto?

Četvrti korak:

Isprobajte varijaciju u kojoj se na vrh poklopca stavlja knjiga ili drugi uteg (sa i bez klikera).

Pitanja:

1. Omogućuje li mramorna baza lakše kretanje kad se dodaju utezi?

2. Možete li smisliti aplikaciju za ovakav uređaj? Tko bi trebao premjestiti predmete velike težine? Kako bi ovo pomoglo?

3. Navedite tri različita stroja koji sadrže kuglične ili valjkaste ležajeve.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Fakultativni radni list za studente:
Vi ste inženjer! Rješavanje problema s valjkastim ležajevima

Instrukcije

Vi ste inženjer! Radite u timu i osmislite plan pomoću valjkastih ležajeva za pomicanje jedne od vaših učionica ili stola 10 stopa pomoću priloženog materijala. Izazov: ograničite silu koju primjenjujete da bi se stol ili stol pomaknuo na ono što možete pritisnuti samo kažiprstom. Možete koristiti do 100 olovaka, traka.

Materijali

Jedan set materijala za svaku skupinu učenika:

• 100 olovaka
• traka
• gumene trake
• Dio tepiha ili tepiha

Prvi korak:

U nastavku nacrtajte ilustraciju koja prikazuje vaše planirano rješenje.

Drugi korak:

Isprobajte svoj plan! Provjerite možete li pomicati radni stol samo pomoću - inženjeri stalno rade u različitim razmjerima!

Pitanja:

1. Jeste li planirali dizajnerske radove? Zašto ili zašto ne?

2. Koje ste izmjene i dopune morali unijeti u svoj plan kako biste ga učinili učinkovitijim rješenjem?

3. Jeste li mogli pomaknuti stol/stol koristeći samo silu s jednog kažiprsta?