Zdobywanie łożysk

Materiały budowlane (dla każdego zespołu)

Wymagane materiały do ​​ćwiczeń 1, 2, 3

• Pokrywka słoika (z majonezu lub podobnego pojemnika)
• 25 identycznych kulek (większych niż głębokość użytego wieczka)
• Książka
• Sekcja dywanu lub dywanika 

Wymagane materiały do ​​wyzwania

• 100 ołówków
• Taśma
• 25 gumki

Testowanie materiałów

• Biurko lub mały stolik
• Sekcja dywanu lub dywanika

Materiały

• Biurko lub mały stolik
• Sekcja dywanu lub dywanika

Przetwarzanie

Zespoły testują swoje projekty, pokazując, w jaki sposób mogą przesuwać biurko/stół o 10 stóp tylko palcem wskazującym.

Wyzwanie projektowe

Jesteś zespołem inżynierów pracujących razem nad zaprojektowaniem systemu wykorzystującego łożyska wałeczkowe do przesuwania jednego z biurek w klasie lub stołu o 10 stóp. Ogranicz siłę, jaką wywierasz, aby przesuwać biurko lub stół do tego, co możesz popchnąć, używając tylko palca wskazującego.

kryteria

• Musi przesunąć biurko lub stół o 10 stóp.
• Do przesuwania biurka lub stołu używaj tylko palca wskazującego.

ograniczenia

• Można używać maksymalnie 100 ołówków, taśmy i 25 gumek
• Korzystaj wyłącznie z dostarczonych materiałów.

1. Podziel klasę na 3-4 osobowe zespoły.
2. Rozdaj arkusz uzyskiwania własnych łożysk, a także kilka kartek papieru do szkicowania projektów.
3. Omów tematy w sekcji Koncepcje tła. Poproś uczniów, aby poczuli siłę tarcia, gdy próbują przesunąć pokrywkę (otwartą częścią w dół) słoika po różnych powierzchniach: blacie biurka, podłodze z płytek, kawałku dywanu. Poproś uczniów, aby zaproponowali różne maszyny, które zawierają łożyska kulkowe lub łożyska wałeczkowe.
4. Przejrzyj proces projektowania inżynierskiego, wyzwanie projektowe, kryteria, ograniczenia i materiały.
5. Dostarcz każdemu zespołowi swoje materiały.
6. Poinstruuj uczniów, że wykonają 3 zadania, a następnie wyzwanie.
   Ćwiczenie 1: Uczniowie próbują przesunąć dostarczoną im pokrywę po kilku powierzchniach – książce, biurku, podłodze, dywanie.
   Ćwiczenie 2: Uczniowie umieszczają tyle kulek w pokrywce słoika, aby prawie wypełnić przestrzeń kulkami (nie powinni jej przepełniać, aby kulki nie mogły się swobodnie poruszać). Następnie powinni użyć książki, aby odwrócić pokrywkę, a następnie spróbować przesunąć pokrywkę marmurowymi „kulkami”.
   Ćwiczenie 3: Uczniowie próbują wariantu, w którym na pokrywie umieszcza się książkę lub inny ciężarek (z kulkami i bez).
7. Wyjaśnij, że w ramach wyzwania uczniowie muszą zaprojektować system wykorzystujący łożyska wałeczkowe do przesuwania jednego z biurek w klasie lub stołu o 10 stóp. Powinni ograniczyć siłę, jaką wywierają, aby przesuwać biurko lub stół do tego, co mogą popchnąć, używając tylko palca wskazującego.
8. Ogłoś, ile czasu mają na zaprojektowanie i zbudowanie (zalecana 1 godzina).
9. Użyj timera lub stopera on-line (funkcja odliczania), aby mieć pewność, że zdążysz na czas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Daj uczniom regularne „kontrole czasu”, aby mogli kontynuować zadanie. Jeśli mają problemy, zadawaj pytania, które szybciej doprowadzą ich do rozwiązania.
10. Studenci spotykają się i opracowują plan swojego systemu łożysk tocznych. Uzgadniają materiały, których będą potrzebować, piszą/rysują swój plan i przedstawiają go klasie.
11. Zespoły budują swoje projekty.
12. Zespoły testują swoje projekty, pokazując, w jaki sposób mogą przesuwać biurko/stół o 10 stóp tylko palcem wskazującym.
13. W klasie przedyskutujcie pytania uczniów do refleksji.
14. Więcej treści na ten temat można znaleźć w sekcji „Digging Deeper”.

Opcjonalnie dla starszych uczniów

Pracuj w zespołach, aby zbadać, czy inne kształty łożysk mogą mieć przewagę nad obecnymi konstrukcjami kulek lub wałeczków. Dlaczego lub dlaczego nie?

Refleksja studencka (zeszyt inżynierski)

1. Ćwiczenie 1:
   – Jaka była różnica w tarciu przesuwającym pokrywę po różnych powierzchniach?
   – Która powierzchnia wykazywała największe tarcie? Czemu?
2. Ćwiczenie 2:
   – Jaka była różnica w tarciu, którego doświadczyłeś podczas toczenia się kulek?
   pod pokrywką?
   – Czy kulki pomogły na wszystkich powierzchniach? Tylko kilka?
   – Która powierzchnia, jeśli w ogóle, wykazywała obecnie największe tarcie? Czemu?
3. Ćwiczenie 3:
   – Czy marmurowa podstawa pozwala na łatwiejsze poruszanie się po dodaniu obciążników?
   – Czy możesz pomyśleć o aplikacji na takie urządzenie?
   – Kto musiałby przenosić przedmioty o dużej wadze? Jak by to pomogło?
   – Wymień trzy różne maszyny, które zawierają łożyska kulkowe lub łożyska wałeczkowe.
4. Wyzwanie:
   – Czy zaplanowałeś prace projektowe? Dlaczego lub dlaczego nie?
   – Jakie zmiany musiałeś wprowadzić do swojego planu, aby uczynić go skuteczniejszym rozwiązaniem?
   – Czy potrafiłeś przesunąć biurko/stolik używając tylko siły jednego palca wskazującego?

W przypadku starszych uczniów lekcję można przeprowadzić już za 1 lekcję. Jednak, aby pomóc uczniom w pośpiechu i zapewnić uczniom sukces (zwłaszcza młodszym uczniom), podziel lekcję na dwa okresy, dając uczniom więcej czasu na burzę mózgów, testowanie pomysłów i sfinalizowanie ich projektu. Przeprowadź test i podsumowanie w następnej lekcji.

Co to jest tarcie?

Jak pomagają łożyska kulkowe? 

Tarcie

Tarcie to termin, który opisuje, jak duży opór napotykają dwa obiekty, aby poruszyć się nad drugim. Im większe tarcie, tym trudniejsze jest płynne poruszanie się dwóch obiektów. Przy mniejszym tarciu obiekty poruszają się łatwo i płynnie względem siebie. Na przykład kawałek gumy miałby większe tarcie poruszające się po dywanie niż gładki podręcznik. W maszynach części ocierają się o siebie, a zwiększone tarcie może szybciej zużywać części.

Łożyska kulkowe

Termin łożysko kulkowe czasami oznacza zespół łożyskowy, który wykorzystuje łożyska sferyczne jako elementy toczne. Oznacza to również pojedynczą kulkę do montażu łożyska. Łożyska kulkowe są wykonane z wielu różnych materiałów, w tym ceramiki, metali, stali nierdzewnej i innych materiałów hybrydowych. Pomagają zmniejszyć tarcie, dzięki czemu maszyny działają dłużej. Pozwalają również na cichszą pracę maszyny. Łożyska zaprojektowano zgodnie z prostą zasadą — przedmioty toczą się łatwiej niż ślizgają się. Kiedy dwa obiekty ześlizgują się ze sobą, jak książka na stole lub słoik na dywanie, tarcie między powierzchniami spowalnia ruch. Gdyby przedmioty mogły zamiast tego przetaczać się po sobie, wówczas powierzchnia stykająca się z nimi jest ograniczona, a zatem zmniejsza się tarcie.

Łożyska toczne

Łożysko toczne to łożysko, które przenosi obciążenie poprzez umieszczenie okrągłych elementów między dwoma elementami. Względny ruch elementów powoduje, że okrągłe elementy toczą się (toczą się) z niewielkim poślizgiem. Na zdjęciu widać, jak kulki są zamknięte między okrągłymi częściami. Jednym z najwcześniejszych i najbardziej znanych łożysk tocznych są zestawy kłód, które układa się na ziemi z dużym kamiennym blokiem na wierzchu. Gdy kamień jest ciągnięty, kłody toczą się po ziemi z niewielkim tarciem ślizgowym. Gdy każda kłoda wychodzi z tyłu, jest przesuwana do przodu, gdzie blok następnie toczy się na nią. Możesz imitować takie łożysko, kładąc na stole kilka długopisów lub ołówków i kładąc na nich rękę.

Rowery bez łożysk kulkowych? Kolejki górskie bez łożysk wałeczkowych?

Rowery są doskonałym przykładem maszyny, która wykorzystuje łożyska kulkowe do zmniejszenia tarcia. Łożyska kulkowe można znaleźć w pedałach, w przednich i tylnych piastach kół oraz w rurze, do której przymocowana jest kierownica. A deskorolki i łyżworolki również zawierają łożyska kulkowe! Poza tymi przykładami łożyska kulkowe są ważnym elementem konstrukcyjnym platform wiertniczych, samolotów i samochodów. Łożyska wałeczkowe są stosowane w kolejkach górskich!

Historia łożysk kulkowych – ewolucja produktu  

Historia

Wczesny przykład drewnianego łożyska kulkowego podtrzymującego obrotowy stół został wydobyty ze szczątków rzymskiego statku na jeziorze Nemi we Włoszech. Wrak został datowany na 40 rok p.n.e. Mówi się, że Leonardo da Vinci opisał rodzaj łożyska kulkowego około 1500 roku. Jednym z problemów z łożyskami kulkowymi jest to, że mogą się o siebie ocierać, powodując dodatkowe tarcie, ale można temu zapobiec, zamykając kulki w klatce . Przechwycone lub zamknięte w klatce łożysko kulkowe zostało pierwotnie opisane przez Galileusza w XVII wieku.

Innowacja

Henry Timken, XIX-wieczny wizjoner i innowator w produkcji powozów, opatentował łożysko stożkowe w 19 roku. Wyobraził sobie firmę zbudowaną na rozwiązaniu krytycznego, odwiecznego problemu technicznego: tarcia, siły, która utrudnia ruch obiektów w kontakcie z wzajemnie. „Człowiek, który mógłby wymyślić coś, co zasadniczo zmniejszyłoby tarcia”, zauważył Timken, „osiągnąłby coś, co miałoby prawdziwą wartość dla świata”. W następnym roku założył firmę The Timken Company, aby produkować swoją innowację.

Projektowanie i ulepszanie produktów

Kiedy Henry rozpoczął prace rozwojowe, dominującym łożyskiem było łożysko ślizgowe lub „tarcia”, które było używane z niewielkimi zmianami od czasów starożytnych. Zasadniczo była to metalowa wkładka w otworze wokół obracającego się wału, której głównym zadaniem była redukcja tarcia zależna od smarowania. Henry zaczął eksperymentować z łożyskami kulkowymi, ale szybko ulegały zużyciu. Doszedł do wniosku, że łożyska „rolkowe” są bardziej obiecujące dla pojazdów, takich jak samochody, ponieważ ciężar ładunku – o wiele cięższy niż na rowerze – może być przenoszony na całej długości rolek, w przeciwieństwie do pojedynczego punkt styku na każdej kulce w łożyskach kulkowych. Henry próbował prostych rolek, ale zdecydował się na stożkowe, co pozwoliło łożyskom na przenoszenie sił ze wszystkich kierunków. Od 1899 roku firma The Timken Company wyprodukowała ponad sześć miliardów łożysk, a obecnie produkuje łożyska wielu różnych typów.

Branże i aplikacje

Łożyska kulkowe są używane w większości branż, w tym w transporcie, lotnictwie, produkcji, rolnictwie oraz w sporcie/rozrywce. Znajdziesz kilka przykładów łożysk kulkowych lub wałeczkowych stosowanych w podwoziach samolotów, turbinach wiatrowych, satelitach i walcowniach. Łożyska miniaturowe można znaleźć w zastosowaniach medycznych, takich jak sprzęt dentystyczny.

Połączenia internetowe

• Amerykańskie Stowarzyszenie Producentów Łożysk – Oś Czasu Łożysk

Spis zalecanych lektur

• Timken: Od Missouri do Marsa – stulecie przywództwa w produkcji (ISBN: 0875848877)
• Nauka o kolarstwie, David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Łożyska kulkowe i wałeczkowe: teoria, konstrukcja i zastosowanie (ISBN: 0471984523)

Pisanie

Napisz esej lub akapit opisujący trzy różne maszyny, które zawierają łożyska kulkowe lub wałeczkowe. Jak zastosowanie łożysk poprawia maszynę?

Dostosowanie do ram programowych

Uwaga: Plany lekcji w tej serii są dostosowane do co najmniej jednego z następujących zestawów standardów:

• S. Standardy edukacji naukowej (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Standardy naukowe nowej generacji (http://www.nextgenscience.org/)
• Standardy Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej dotyczące umiejętności technologicznych (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Krajowa Rada Nauczycieli Matematyki Zasad i Standardów Matematyki Szkolnej (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Wspólne podstawowe stanowe standardy matematyki (http://www.corestandards.org/Math)
• Stowarzyszenie Nauczycieli Informatyki K-12 Standardy Informatyki (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy K-4 (wiek 4-9)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Właściwości przedmiotów i materiałów
• Pozycja i ruch obiektów

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Własności i zmiany własności w materii
• Ruchy i siły
• Transfer energii

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
• Historia nauki

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 9-12 (wiek 14-18)

TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne

W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Ruchy i siły
• Oddziaływania energii i materii

TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać

• Umiejętności projektowania technologicznego
• Zrozumienie nauki i technologii

Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 9-12 (wiek 14-18)

STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Nauka i technologia a wyzwania lokalne, krajowe i globalne

TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki

W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie

• Perspektywy historyczne

Standardy naukowe nowej generacji – klasy 2-5 (w wieku 7-11 lat)

Materia i jej interakcje

• 2-PS1-2. Analizuj dane uzyskane z testowania różnych materiałów, aby określić, które materiały mają właściwości najlepiej dostosowane do zamierzonego celu.

Ruch i stabilność: siły i interakcje

Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:

• 3-PS2-1. Zaplanuj i przeprowadź badanie, aby dostarczyć dowodów na wpływ zrównoważonych i niezrównoważonych sił na ruch obiektu.

Projektowanie inżynierskie

Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:

• 3-5-ETS1-1.Zdefiniuj prosty problem projektowy odzwierciedlający potrzebę lub chęć, który zawiera określone kryteria sukcesu i ograniczenia dotyczące materiałów, czasu lub kosztów.
• 3-5-ETS1-2. Wygeneruj i porównaj wiele możliwych rozwiązań problemu w oparciu o to, jak dobrze każde z nich może spełnić kryteria i ograniczenia problemu.

Standardy naukowe nowej generacji – klasy 6-8 (w wieku 11-14 lat)

Projektowanie inżynierskie

Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:

• MS-ETS1-2 Oceń konkurencyjne rozwiązania projektowe przy użyciu systematycznego procesu, aby określić, jak dobrze spełniają one kryteria i ograniczenia problemu.

Standardy alfabetyzacji technologicznej – w każdym wieku

Technologia i społeczeństwo

• Standard 6: Studenci rozwiną zrozumienie roli społeczeństwa w rozwoju i wykorzystaniu technologii.
• Standard 7: Studenci rozwiną zrozumienie wpływu technologii na historię.

Wnętrze

• Standard 8: Uczniowie rozwiną zrozumienie atrybutów projektu.

Standard 9: Uczniowie rozwiną zrozumienie inżynierii

Krok pierwszy:

Przeczytaj arkusze referencyjne dla uczniów, aby dowiedzieć się o łożyskach oraz historii i ewolucji łożysk kulkowych i wałeczkowych.

Krok drugi:

Pracując w grupach 3-4 osobowych, spróbuj przesunąć dostarczoną ci pokrywę po kilku powierzchniach – książce, biurku, podłodze, dywanie.

Pytanie:

1. Jaka była różnica w tarciu przesuwającym pokrywę po różnych powierzchniach? Która powierzchnia wykazywała największe tarcie? Czemu?

Krok trzeci:

Umieść tyle kulek w pokrywce słoika, aby prawie wypełnić przestrzeń kulkami (nie przepełniaj, aby kulki nie mogły się swobodnie poruszać). Użyj książki, aby odwrócić pokrywkę, a teraz spróbuj przesuwać pokrywkę za pomocą marmurowych „kulek”, które pomagają w poruszaniu się pokrywki po tych samych powierzchniach, które wypróbowano wcześniej.

pytania:

1. Jaka była różnica w tarciu, którego doświadczyłeś, gdy kulki toczyły się pod pokrywką?

2. Czy kulki pomogły na wszystkich powierzchniach? Tylko kilka? Która powierzchnia, jeśli w ogóle, wykazywała teraz największe tarcie? Czemu?

Krok czwarty:

Wypróbuj wariant, w którym na pokrywie umieszcza się książkę lub inny ciężar (z kulkami lub bez).

pytania:

1. Czy marmurowa podstawa pozwala na łatwiejsze poruszanie się po dodaniu obciążników?

2. Czy możesz pomyśleć o aplikacji na takie urządzenie? Kto musiałby przenosić przedmioty o dużej wadze? Jak by to pomogło?

3. Wymień trzy różne maszyny, które zawierają łożyska kulkowe lub łożyska wałeczkowe.

1:_____________ 2. ______________ 3._____________

Opcjonalny arkusz roboczy ucznia:
Jesteś Inżynierem! Rozwiązywanie problemów z łożyskami wałeczkowymi

Instrukcje

Jesteś inżynierem! Pracuj w zespole i opracuj plan za pomocą łożysk tocznych, aby przesunąć jedno z biurek w klasie lub stół o 10 stóp, korzystając z dostarczonych materiałów. Wyzwanie: ogranicz siłę, jaką wywierasz, aby przesunąć biurko lub stół do tego, co możesz popchnąć, używając tylko palca wskazującego. Możesz użyć do 100 ołówków, taśmy.

Materiały

Jeden zestaw materiałów dla każdej grupy uczniów:

• 100 ołówków
• taśma
• gumki
• Sekcja dywanu lub dywanika

Krok pierwszy:

Poniżej narysuj ilustrację przedstawiającą planowane rozwiązanie.

Krok drugi:

Wypróbuj swój plan! Sprawdź, czy możesz przenieść biurko tylko za pomocą — inżynierowie cały czas pracują w różnych skalach!

pytania:

1. Czy zaplanowałeś prace projektowe? Dlaczego lub dlaczego nie?

2. Jakie zmiany musiałeś wprowadzić do swojego planu, aby uczynić go skuteczniejszym rozwiązaniem?

3. Czy potrafiłeś przesunąć biurko/stolik używając tylko siły jednego palca wskazującego?