A csapágyak megszerzése

Építési anyagok (minden csapat számára)

Az 1., 2., 3. tevékenységhez szükséges anyagok

• Tégely fedele (majonézből vagy hasonló edényből)
• 25 azonos méretű golyó (nagyobb, mint a használt fedél mélysége)
• könyv
• Szőnyeg vagy szőnyeg szakasza 

A kihíváshoz szükséges anyagok

• 100 ceruza
• Szalag
• 25 Gumiszalag

Vizsgálati anyagok

• Asztal vagy kis asztal
• Szőnyeg vagy szőnyeg szakasza

Anyagok

• Asztal vagy kis asztal
• Szőnyeg vagy szőnyeg szakasza

Folyamat

A csapatok tesztelik a terveiket azzal, hogy megmutatják, hogyan tudják mozgatni az asztalt/asztalt 10 lábnyira, csak mutatóujjukkal.

Tervezés Challenge

Ön mérnökök csapata, akik együtt dolgoznak egy rendszer kialakításán gördülőcsapágyak segítségével az egyik osztályterem íróasztalának vagy asztalának 10 lábnyi mozgatásához. Korlátozza az erőt, amelyet arra használ, hogy az íróasztal vagy az asztal mozogjon arra, amit csak a mutatóujja segítségével tolhat.

Kritériumai

• Az asztalt vagy az asztalt 10 láb távolságra kell mozgatni.
• Csak a mutatóujjával mozgassa az asztalt vagy az asztalt.

megszorítások

• Csak 100 ceruza, szalag és 25 gumiszalag használható
• Csak az Önnek biztosított anyagokat használja.

1. Bontja az osztályt 3-4 fős csapatokra.
2. Ossza ki a Csapágyak beszerzése munkalapot, valamint néhány papírlapot a tervek rajzolásához.
3. Beszélje meg a témákat a Háttérfogalmak részben. Kérd meg a tanulókat, hogy érezzék a súrlódás erejét, amikor megpróbálják az edény fedelét (nyitott részét lefelé) mozgatni különböző felületeken: asztallap, csempepadló, szőnyegdarab. Kérd meg a tanulókat, hogy javasoljanak különböző gépeket, amelyek golyós- vagy görgőscsapágyat tartalmaznak.
4. Tekintse át a mérnöki tervezés folyamatát, a tervezési kihívást, a kritériumokat, a korlátozásokat és az anyagokat.
5. Biztosítsa minden csapatnak az anyagaikat.
6. Tájékoztassa a tanulókat, hogy 3 feladatot, majd egy feladatot kell elvégezniük.
   1. tevékenység: A diákok megpróbálják a fedelét több felületen - könyv, asztal, padló, szőnyeg - mozgatni.
   2. tevékenység: A diákok csak annyi golyót helyeznek az edény fedelébe, hogy szinte kitöltsék a teret golyókkal (ne töltsék túl, hogy a golyók ne mozoghassanak szabadon). Ezt követően egy könyvet kell használniuk, hogy megfordítsák a fedelet, majd megpróbálják mozgatni a fedelet a márvány „golyókkal”.
   3. tevékenység: A diákok kipróbálnak egy változatot, amikor egy könyvet vagy más súlyt helyeznek a fedél tetejére (golyóval és anélkül).
7. Magyarázza el, hogy a kihíváshoz a tanulóknak görgőscsapágyakkal kell megtervezniük egy rendszert, hogy az egyik osztályterem íróasztalát vagy egy asztalt 10 lábnyira mozgassák. Korlátozniuk kell azt az erőt, amelyet arra gyakorolnak, hogy az íróasztal vagy az asztal mozogjon arra, amit csak a mutatóujjuk segítségével tolhatnak.
8. Hirdesse meg, hogy mennyi ideig kell tervezniük és elkészíteniük (ajánlott 1 óra).
9. Használjon időzítőt vagy on-line stoppert (visszaszámláló funkció), hogy biztosan tartsa az időt. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Rendszeresen adjon a hallgatóknak „időellenőrzést”, hogy maradjanak a feladaton. Ha küzdenek, tegyen fel kérdéseket, amelyek gyorsabb megoldáshoz vezetnek.
10. A diákok találkoznak és kidolgoznak egy tervet a görgős csapágyrendszerükre. Megállapodnak a szükséges anyagokban, megírják/megrajzolják tervüket, és bemutatják tervüket az osztálynak.
11. A csapatok építik a terveiket.
12. A csapatok tesztelik a terveiket azzal, hogy megmutatják, hogyan tudják mozgatni az asztalt/asztalt 10 lábnyira, csak mutatóujjukkal.
13. Osztályként beszélje meg a diákok reflexiós kérdéseit.
14. A témával kapcsolatos további információkért lásd a „Mélyebb ásás” részt.

Választható idősebb diákok számára

Dolgozzon csapatokban annak felderítésére, hogy más típusú csapágyaknak lehetnek -e előnyei a jelenlegi golyós vagy görgős kivitelhez képest. Miért vagy miért nem?

Student Reflection (mérnöki jegyzetfüzet)

1. 1. tevékenység:
   - Mi volt a különbség abban, hogy a súrlódás mozgatta a fedelet a különböző felületeken?
   - Melyik felületen volt a legnagyobb súrlódás? Miért?
2. 2. tevékenység:
   - Mi volt a különbség a súrlódásban, amelyet a golyók gurulása során tapasztalt
   a fedél alatt?
   - A golyók segítettek minden felületen? Csak néhány?
   - Melyik felületen volt jelen a legtöbb súrlódás, ha volt? Miért?
3. 3. tevékenység:
   - A márvány alap lehetővé teszi a könnyebb mozgást súly hozzáadásával?
   - Eszébe jut egy ilyen eszközre való alkalmazás?
   - Kinek kellene nagy súlyú tárgyakat mozgatnia? Hogyan segítene ez?
   - Soroljon fel három különböző gépet, amelyek golyós- vagy görgőscsapágyat tartalmaznak.
4. Kihívás:
   - Tervezett tervezési munkát? Miért vagy miért nem?
   - Milyen módosításokat kellett végrehajtania a tervén annak érdekében, hogy hatékonyabb megoldás legyen?
   - Sikerült mozgatni az asztalt/asztalt, csak egy mutatóujj erejével?

Az óra akár 1 óra alatt is elvégezhető az idősebb tanulók számára. Annak érdekében azonban, hogy segítse a diákokat abban, hogy ne kapkodják el magukat, és biztosítsák a diákok sikerességét (különösen a fiatalabb hallgatók számára), ossza fel az órát két időszakra, így több idő jut a hallgatóknak az ötletelésre, az ötletek tesztelésére és a tervezésük véglegesítésére. Végezze el a tesztelést és a beszámolót a következő osztályidőszakban.

Mi a súrlódás?

Hogyan segítenek a golyóscsapágyak? 

Súrlódás

A súrlódás olyan kifejezés, amely leírja, hogy két objektumnak mekkora ellenállása van a másik fölött való mozgáshoz. Minél nagyobb a súrlódás, annál nehezebb a két tárgy egyenletes mozgása. Kevesebb súrlódással a tárgyak könnyen és simán mozognak egymással szemben. Például egy darab gumi nagyobb súrlódással mozogna a szőnyegen, mint egy sima tankönyv. A gépekben az alkatrészek dörzsölődnek egymáshoz, és a nagyobb súrlódás gyorsabban elhasználhatja az alkatrészeket.

Golyóscsapágy

A golyóscsapágy kifejezés néha csapágyegységet jelent, amely gömbcsapágyakat használ gördülő elemként. Ezenkívül egy egyéni golyót is jelent a csapágyszerelvényhez. A golyóscsapágyak sokféle anyagból készülnek, köztük kerámiából, fémekből, rozsdamentes acélból és más hibrid anyagokból. Segítenek csökkenteni a súrlódást, ami tovább tartja a gépek működését. Lehetővé teszik a gép csendesebb működését is. A csapágyakat egyszerű elven tervezték - a tárgyak könnyebben gurulnak, mint csúsznak. Amikor két tárgy egymásnak csúszik, mint egy könyv az asztalon vagy egy üveg a szőnyegen, a felületek közötti súrlódás lassítja a mozgást. Ha a tárgyak ehelyett gurulhatnak egymás fölé, akkor az érintkező felület korlátozott, és így csökken a súrlódás.

Gördülő elem csapágyak

A gördülő elemek csapágyai olyan csapágyak, amelyek terhelést hordoznak úgy, hogy kerek elemeket helyeznek el a két darab között. A darabok relatív mozgása miatt a kerek elemek kis csúszással gurulnak (buknak). A képen láthatja, hogyan vannak a golyók a kerek részek között. Az egyik legkorábbi és legismertebb gördülő elem csapágy rönk, amelyet a földre fektetnek, és egy nagy kőtömb van a tetején. A kő húzása közben a rönkök kis csúszósúrlódással gurulnak a talajon. Ahogy minden rönk a hátsó részen jön ki, az elölre kerül, ahol a blokk gurul rá. Az ilyen csapágyat utánozhatja, ha több tollat ​​vagy ceruzát tesz az asztalra, és a kezét rájuk teszi.

Kerékpárok golyóscsapágy nélkül? Hullámvasutak görgőscsapágy nélkül?

A kerékpárok remek példája annak a gépnek, amely golyóscsapágyakat használ a súrlódás csökkentésére. A golyóscsapágyak megtalálhatók a pedálokban, a kerekek első és hátsó agyában, valamint a csőben, ahol a kormány rögzítve van. A gördeszkák és a görgők pedig golyóscsapágyakat is tartalmaznak! Ezen a példán kívül a golyóscsapágyak az olajfúróberendezések, repülőgépek és autók fontos tervezési elemei. Görgőscsapágyakat használnak a hullámvasutakban!

Golyóscsapágy -történelem - Termékfejlődés  

Történelem

A forgóasztalt tartó fa golyóscsapágy korai példáját egy római hajó maradványaiból vettük fel az olaszországi Nemi -tóban. A roncsot Kr.e. 40 -re datálták. Leonardo da Vinci állítólag 1500 körül írt le egy golyóscsapágy -típust. A golyóscsapágyak egyik problémája az, hogy egymáshoz dörzsölve további súrlódást okozhatnak, de ez megelőzhető a golyók ketrecbe zárásával. . Az elfogott, vagy ketrecbe zárt golyóscsapágyat eredetileg Galilei írta le az 1600 -as években.

Innováció

Henry Timken, a 19. századi látnok és a kocsigyártás újítója 1898-ban szabadalmaztatta a kúpgörgős csapágyat. Egy olyan vállalkozást képzelt el, amely egy kritikus, régi műszaki probléma megoldására épül: a súrlódás, az az erő, amely akadályozza a velük érintkező tárgyak mozgását. egymás. „Az az ember, aki kitalálhat valamit, ami alapvetően csökkenti a súrlódást - jegyezte meg Timken -, valami valódi értéket érne el a világ számára.” A következő évben létrehozta a The Timken Company -t, hogy előállítsa innovációját.

Terméktervezés és fejlesztés

Amikor Henry megkezdte fejlesztési munkáját, az uralkodó csapágy a sima, vagy „súrlódó” csapágy volt, amelyet az ókor óta alig használtak. Ez lényegében egy fémbélés volt a forgó tengely körüli lyukban, a súrlódáscsökkentés fő feladata a kenéstől függ. Henry kísérletezni kezdett a golyóscsapágyakkal, de azok gyorsan elbuktak a kopástól. Arra a következtetésre jutott, hogy a „görgős” csapágyak nagyobb ígéretet hordoznak a járműveknél, például az autóknál, mivel a rakomány súlya- sokkal nehezebb, mint a kerékpáron- a görgők teljes hosszában hordozható, szemben az egyetlen érintkezési pont minden golyó golyóscsapágyban. Henry egyenes görgőkkel próbálkozott, de kúposra helyezkedett, ami lehetővé tette, hogy a csapágyak minden irányból fenntartsák az erőket. 1899 óta a Timken Company több mint hatmilliárd csapágyat gyártott, és most sokféle típusú csapágyat gyárt.

Iparágak és alkalmazások

A golyóscsapágyakat a legtöbb iparágban használják, beleértve a szállítást, a repülőgépgyártást, a gyártást, a mezőgazdaságot és a sportot/szórakoztatást. Példákat talál a repülőgépek leszálló kerekeiben, szélturbináiban, műholdjain és hengerműveiben használt golyós- vagy görgőscsapágyakra. A miniatűr csapágyak megtalálhatók az orvosi alkalmazásokban, például a fogászati ​​berendezésekben.

Internetes kapcsolatok

• Amerikai csapágygyártók szövetsége - Bearing Timeline

Ajánlott olvasmányok

• Timken: Missouritól a Marsig - Egy évszázad vezető szerepet tölt be a gyártásban (ISBN: 0875848877)
• Bicycling Science, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Golyós- és görgőscsapágyak: elmélet, kialakítás és alkalmazás (ISBN: 0471984523)

Írási tevékenység

Írjon esszét vagy bekezdést három különböző gép leírására, amelyek golyós- vagy görgőscsapágyat tartalmaznak. Hogyan fejleszti a gépet a csapágyak használata?

Összehangolás a tanterv-keretekkel

Jegyzet: A sorozat óratervei a következő szabványok egy vagy többéhez igazodnak:

• S. Természettudományi oktatási szabványok (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Új generációs tudományos szabványok (http://www.nextgenscience.org/)
• A Nemzetközi Technológiai Oktatási Szövetség technológiai műveltségi normái (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. A Matematikatanárok Országos Tanácsa az iskolai matematika alapelvei és szabványai (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. A matematika általános alapszintű szabványai (http://www.corestandards.org/Math)
• Számítástechnika Tanárok Szövetsége K-12 Számítástudományi Szabványok (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Országos természettudományos oktatási szabványok K-4. Osztály (4–9 éves korosztály)

B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány

Tevékenységük eredményeként minden hallgatónak meg kell alakítania a megértést

• Tárgyak és anyagok tulajdonságai
• A tárgyak helyzete és mozgása

E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell

• A technológiai tervezés képességei

G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést

• A tudomány mint emberi törekvés

Országos természettudományos oktatási szabványok 5-8. Évfolyam (10-14 éves korig)

B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány

Tevékenységük eredményeként minden hallgatónak meg kell alakítania a megértést

• Az anyag tulajdonságai és tulajdonságainak változásai
• Mozgások és erők
• Energiaátadás

E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell

• A technológiai tervezés képességei

G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést

• A tudomány mint emberi törekvés
• A tudomány története

Országos természettudományos oktatási szabványok 9-12. Évfolyam (14-18 éves korig)

B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány

Tevékenységük eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést

• Mozgások és erők
• Az energia és az anyag kölcsönhatásai

E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell

• A technológiai tervezés képességei
• Megértés a tudományról és a technológiáról

Országos természettudományos oktatási szabványok 9-12. Évfolyam (14-18 éves korig)

F TARTALOM-SZABVÁNY: Tudomány személyes és társadalmi szempontból

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést

• A tudomány és a technológia a helyi, nemzeti és globális kihívásokban

G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete

A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést

• Történelmi perspektívák

Következő generációs tudományos szabványok - 2–5. Osztály (7–11. Életkor)

Anyag és kölcsönhatásai

• 2-PS1-2. Elemezze a különböző anyagok teszteléséből származó adatokat, hogy megállapítsa, mely anyagok rendelkeznek a tervezett célra a legjobban megfelelő tulajdonságokkal.

Mozgás és stabilitás: erők és kölcsönhatások

A megértést tanúsító hallgatók:

• 3-PS2-1. Tervezzen és végezzen vizsgálatot annak bizonyítására, hogy a kiegyensúlyozott és kiegyensúlyozatlan erők milyen hatással vannak egy tárgy mozgására.

Mérnöki tervezés

A megértést tanúsító hallgatók:

• 3-5-ETS1-1. Határozzon meg egy egyszerű tervezési problémát, amely egy igényt vagy igényt tükröz, amely tartalmazza a siker meghatározott kritériumait, valamint az anyagok, az idő vagy a költség korlátozását.
• 3-5-ETS1-2. Készítsen és hasonlítson össze több lehetséges megoldást egy problémára annak alapján, hogy mindegyik valószínűleg megfelel-e a probléma kritériumainak és korlátozásainak.

Következő generációs tudományos szabványok - 6–8. Osztály (11–14. Életkor)

Mérnöki tervezés

A megértést tanúsító hallgatók:

• MS-ETS1-2 Szisztematikus eljárás segítségével értékelje a versengő tervezési megoldásokat annak meghatározására, hogy azok mennyire felelnek meg a probléma kritériumainak és korlátozásainak.

A technológiai műveltség szabványai - minden korosztály számára

Technológia és társadalom

• 6. standard: A hallgatók megértik a társadalom szerepét a technológia fejlesztésében és alkalmazásában.
• 7. szabvány: A hallgatók megismerik a technológia történelemre gyakorolt ​​hatását.

Design

• 8. szabvány: A hallgatók megismerik a tervezés tulajdonságait.

9. standard: A diákok fejlesztik a mérnöki ismereteket

Első lépés:

Olvassa el a diákok referencialapjait, hogy megismerje a csapágyakat, valamint a golyós- és görgőscsapágyak történetét és fejlődését.

Második lépés:

Ha 3-4 fős csoportokban dolgozik, próbálja meg áthelyezni a fedelét több felületen-könyv, asztal, padló, szőnyeg.

Kérdés:

1. Mi volt a különbség a súrlódás között, amely a fedőt különböző felületeken mozgatta? Melyik felületen volt a legnagyobb súrlódás? Miért?

Harmadik lépés:

Helyezzen csak annyi golyót az edény fedelébe, hogy szinte kitöltse a teret golyókkal (ne töltse túl, nehogy a golyók szabadon mozoghassanak). Egy könyv segítségével fordítsa meg a fedelet, és most próbálja meg mozgatni a fedelet a márvány „golyókkal”, amelyek segítséget nyújtanak a súrlódó fedél mozgatásán a korábban kipróbált felületeken.

Kérdések:

1. Mi volt a különbség a súrlódásban, amelyet a fedél alatt guruló golyókkal tapasztalt?

2. A golyók segítettek minden felületen? Csak néhány? Melyik felületen, ha van ilyen, a legnagyobb a súrlódás? Miért?

Negyedik lépés:

Próbáljon ki egy változatot, ahol a fedél tetejére könyvet vagy más súlyt helyeznek (golyóval és anélkül).

Kérdések:

1. A márvány alap lehetővé teszi a könnyebb mozgást súly hozzáadásával?

2. El tud képzelni egy alkalmazást egy ilyen eszközhöz? Kinek kell nagy súlyú tárgyakat mozgatnia? Hogyan segítene ez?

3. Soroljon fel három különböző gépet, amelyek golyós- vagy görgőscsapágyat tartalmaznak.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Választható tanulói feladatlap:
Te vagy a mérnök! Problémamegoldás görgős csapágyakkal

Utasítás

Te vagy a mérnök! Dolgozzon csapatban, és dolgozzon ki egy tervet görgőscsapágyak segítségével az egyik osztályterem íróasztalának vagy asztalának 10 lábnyi mozgatására a mellékelt anyagok felhasználásával. Kihívás: korlátozza az erőt, amelyet arra használ, hogy az íróasztal vagy az asztal mozogjon arra, amit csak a mutatóujja segítségével tolhat. Legfeljebb 100 ceruzát, szalagot használhat.

Anyagok

Minden tanulócsoport számára egy anyagkészlet:

• 100 ceruza
• szalag
• gumiszalagok
• Szőnyeg vagy szőnyeg szakasza

Első lépés:

Rajzoljon az alábbi ábrán a tervezett megoldást.

Második lépés:

Próbálja ki tervét! Nézze meg, hogy tudja -e mozgatni az asztalt csak - a mérnökök folyamatosan különböző léptékben dolgoznak!

Kérdések:

1. Terveztek tervezési munkákat? Miért vagy miért nem?

2. Milyen módosításokat kellett végrehajtania a tervén annak érdekében, hogy hatékonyabb megoldás legyen?

3. Sikerült mozgatni az asztalt/asztalt, csak az egyik mutatóujj erejével?