Obtendo seus rolamentos

Materiais de construção (para cada equipe)

Materiais necessários para as atividades 1, 2, 3

• Tampa do frasco (de maionese ou recipiente semelhante)
• 25 mármores de tamanho idêntico (maior do que a profundidade da tampa usada)
• Marcação
• Seção de carpete ou tapete 

Materiais Necessários para o Desafio

• 100 lápis
• fita
• 25 elásticos

Materiais de Teste

• Secretária ou pequena mesa
• Seção de carpete ou tapete

Materiais

• Secretária ou pequena mesa
• Seção de carpete ou tapete

Processo

As equipes testam seus projetos mostrando como podem mover a escrivaninha / mesa a 10 metros apenas com o dedo indicador.

Desafio de Design

Você é uma equipe de engenheiros trabalhando em conjunto para projetar um sistema usando rolamentos de rolos para mover uma das carteiras de sua sala de aula, ou uma mesa, a 10 metros. Limite a força que você aplica para fazer a escrivaninha ou mesa se mover para o que você pode empurrar usando apenas o dedo indicador.

Critérios

• Deve mover a escrivaninha ou mesa a 10 metros.
• Use apenas o dedo indicador para mover a escrivaninha ou mesa.

restrições

• Só pode usar até 100 lápis, fita e 25 elásticos
• Use apenas os materiais fornecidos a você.

1. Divida a classe em equipes de 3-4.
2. Distribua a planilha Obtendo seus rolamentos, bem como algumas folhas de papel para esboços de projetos.
3. Discuta os tópicos da seção Conceitos básicos. Peça aos alunos para sentirem a força do atrito ao tentar mover a tampa (parte aberta para baixo) do frasco em diferentes superfícies: tampo da mesa, piso de cerâmica, pedaço de carpete. Peça aos alunos que sugiram diferentes máquinas que incorporam rolamentos de esferas ou de rolos.
4. Revise o Processo de Projeto de Engenharia, Desafio de Projeto, Critérios, Restrições e Materiais.
5. Forneça a cada equipe seus materiais.
6. Instrua os alunos que eles realizarão três atividades e, em seguida, um desafio.
   Atividade 1: Os alunos tentam mover a tampa fornecida a eles sobre várias superfícies - livro, mesa, chão, carpete.
   Atividade 2: Os alunos colocam bolinhas de gude apenas o suficiente na tampa do frasco para encher quase todo o espaço com bolinhas (eles não devem enchê-lo demais para que as bolinhas não possam se mover livremente). Em seguida, eles devem usar um livro para virar a tampa e, em seguida, tentar mover a tampa com as “bolas” de mármore.
   Atividade 3: Os alunos tentam uma variação em que um livro ou outro peso é colocado no topo da tampa (com e sem bolinhas).
7. Explique que, para o desafio, os alunos devem projetar um sistema usando rolamentos de rolos para mover uma das carteiras da sala de aula, ou uma mesa, 10 metros. Eles devem limitar a força que aplicam para fazer a escrivaninha ou mesa se mover para o que eles podem empurrar usando apenas o dedo indicador.
8. Anuncie quanto tempo eles têm para projetar e construir (recomenda-se 1 hora).
9. Use um cronômetro ou cronômetro on-line (recurso de contagem regressiva) para garantir que você se mantenha no tempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dê aos alunos “verificações de tempo” regulares para que eles permaneçam na tarefa. Se eles estiverem com dificuldades, faça perguntas que os levem a uma solução mais rápida.
10. Os alunos se reúnem e desenvolvem um plano para seu sistema de rolamentos de rolos. Eles concordam com os materiais de que precisarão, escrevem / desenham seu plano e apresentam o plano para a classe.
11. As equipes constroem seus projetos.
12. As equipes testam seus projetos mostrando como podem mover a escrivaninha / mesa a 10 metros apenas com o dedo indicador.
13. Como classe, discuta as questões de reflexão do aluno.
14. Para obter mais conteúdo sobre o assunto, consulte a seção “Indo mais fundo”.

Opcional para alunos mais velhos

Trabalhe em equipes para explorar se outros formatos de rolamentos podem ter vantagens sobre os designs atuais de esferas ou rolos. Por que ou por que não?

Reflexão do aluno (caderno de engenharia)

1. Atividade 1:
   - Qual foi a diferença na fricção ao mover a tampa em diferentes superfícies?
   - Qual superfície exibiu mais atrito? Porque?
2. Atividade 2:
   - Qual foi a diferença no atrito que você experimentou com as bolas de gude rolando
   sob a tampa?
   - Os mármores ajudaram em todas as superfícies? Apenas alguns?
   - Qual superfície, se houver, exibiu agora mais atrito? Porque?
3. Atividade 3:
   - A base de mármore permite um movimento mais fácil quando os pesos são adicionados?
   - Você consegue pensar em um aplicativo para um dispositivo como este?
   - Quem precisa mover itens com pesos pesados? Como isso ajudaria?
   - Liste três máquinas diferentes que incorporam rolamentos de esferas ou rolamentos de rolos.
4. Desafio:
   - Você planejou um trabalho de design? Por que ou por que não?
   - Que revisões você teve que fazer em seu plano para torná-lo uma solução mais eficaz?
   - Você conseguiu mover a escrivaninha / mesa usando apenas a força de um dedo indicador?

A aula pode ser ministrada em apenas 1 período de aula para alunos mais velhos. No entanto, para ajudar os alunos a não se sentirem apressados ​​e para garantir o sucesso dos alunos (especialmente para alunos mais jovens), divida a aula em dois períodos, dando aos alunos mais tempo para debater, testar ideias e finalizar seu projeto. Conduza o teste e o interrogatório no próximo período de aula.

O que é fricção?

Como os rolamentos de esferas ajudam? 

Fricção

Fricção é um termo que descreve quanta resistência existe para dois objetos se moverem sobre outro. Quanto maior o atrito, mais difícil será para os dois objetos se moverem suavemente. Com menos atrito, os objetos se movem fácil e suavemente uns contra os outros. Por exemplo, um pedaço de borracha teria maior atrito ao se mover sobre um tapete do que um livro de texto liso. Nas máquinas, as peças esfregam umas nas outras e o aumento do atrito pode desgastar as peças mais rapidamente.

Rolamentos de esferas

O termo rolamento de esferas às vezes significa um conjunto de rolamento que usa rolamentos esféricos como elementos rolantes. Também significa uma esfera individual para um conjunto de rolamento. Os rolamentos de esferas são feitos de muitos materiais diferentes, incluindo cerâmica, metais, aço inoxidável e outros materiais híbridos. Eles ajudam a reduzir o atrito que mantém as máquinas operando por mais tempo. Eles também podem permitir que a máquina opere de forma mais silenciosa. Os rolamentos foram projetados com base em um princípio simples - os objetos rolam mais facilmente do que deslizam. Quando dois objetos deslizam um contra o outro, como um livro em uma mesa ou um frasco em um tapete, o atrito entre as superfícies funciona para retardar o movimento. Se os objetos pudessem, em vez disso, rolar uns sobre os outros, então a quantidade de área de superfície que se tocava é limitada e, portanto, o atrito é reduzido.

Rolamentos de elemento de rolamento

Um rolamento de elemento rolante é um rolamento que transporta uma carga colocando elementos redondos entre as duas peças. O movimento relativo das peças faz com que os elementos redondos rolem (tombem) com pouco deslizamento. Na foto você pode ver como as bolas estão encaixadas entre as partes redondas. Um dos primeiros e mais conhecidos mancais de rolamento são conjuntos de toras colocadas no chão com um grande bloco de pedra no topo. Conforme a pedra é puxada, as toras rolam ao longo do solo com pouco atrito deslizante. À medida que cada tronco sai por trás, ele é movido para a frente, onde o bloco rola sobre ele. Você pode imitar tal orientação colocando várias canetas ou lápis sobre uma mesa e colocando a mão sobre eles.

Bicicletas sem rolamentos de esferas? Montanhas russas sem rolamentos?

As bicicletas são um ótimo exemplo de máquina que usa rolamentos de esferas para reduzir o atrito. Os rolamentos de esferas podem ser encontrados nos pedais, nos cubos dianteiro e traseiro das rodas e no tubo de fixação do guiador. E skates e patins também incluem rolamentos de esferas! Além desses exemplos, os rolamentos de esferas são um elemento importante do projeto de plataformas de perfuração de petróleo, aviões e automóveis. Os rolamentos de rolos são usados ​​em montanhas-russas!

História do Rolamento de Esferas - Evolução do Produto  

História

Um dos primeiros exemplos de um rolamento de esferas de madeira apoiando uma mesa giratória foi recuperado dos restos de um navio romano no Lago Nemi, Itália. O naufrágio foi datado de 40 AC. Diz-se que Leonardo da Vinci descreveu um tipo de rolamento de esferas por volta do ano 1500. Um dos problemas dos rolamentos de esferas é que eles podem esfregar uns nos outros, causando atrito adicional, mas isso pode ser evitado encerrando as esferas em uma gaiola . O rolamento de esferas capturado, ou enjaulado, foi originalmente descrito por Galileu em 1600.

Inovação

Henry Timken, um visionário do século 19 e inovador na fabricação de carruagens, patenteou o rolamento de rolos cônicos em 1898. Ele imaginou um negócio baseado na solução de um problema técnico antigo e crítico: o atrito, a força que impede o movimento dos objetos em contato com uns aos outros. “O homem que pudesse conceber algo que reduzisse fundamentalmente o atrito”, observou Timken, “alcançaria algo de valor real para o mundo”. No ano seguinte, ele fundou a The Timken Company para produzir sua inovação.

Design e Melhoria do Produto

Na época em que Henry começou seu trabalho de desenvolvimento, o rolamento dominante era o rolamento simples, ou de "fricção", que estava em uso com poucas mudanças desde os tempos antigos. Era essencialmente um revestimento de metal no orifício ao redor de um eixo giratório, com o trabalho principal de redução do atrito dependendo da lubrificação. Henry começou a experimentar com rolamentos de esferas, mas eles falharam rapidamente devido ao desgaste. Ele concluiu que os rolamentos de "rolos" eram mais promissores para veículos, como automóveis, porque o peso da carga - muito mais pesado do que em uma bicicleta - poderia ser transportado ao longo de todo o comprimento dos rolos, ao contrário do único ponto de contato em cada esfera em rolamentos de esferas. Henry tentou rolos retos, mas decidiu-se pelos cônicos, que permitiam que os rolamentos sustentassem as forças de todas as direções. Desde 1899, a The Timken Company produziu mais de seis bilhões de rolamentos e agora fabrica rolamentos de muitos tipos diferentes.

Indústrias e aplicações

Os rolamentos de esferas são usados ​​na maioria das indústrias, incluindo transporte, aeroespacial, manufatura, agricultura e esportes / entretenimento. Você encontrará alguns exemplos de rolamentos de esferas ou de rolos usados ​​em rodas de pouso de aeronaves, turbinas eólicas, satélites e laminadores. Os rolamentos em miniatura podem ser encontrados em aplicações médicas, como equipamentos odontológicos.

Conexões na Internet

• Associação Americana de Fabricantes de Rolamentos - Linha do tempo de rolamentos

Leitura recomendada

• Timken: Do Missouri a Marte - Um Século de Liderança na Manufatura (ISBN: 0875848877)
• Bicycle Science, de David Gordon Wilson (ISBN: 0262731541)
• Rolamentos de esferas e de rolos: teoria, design e aplicação (ISBN: 0471984523)

Atividade de escrita

Escreva um ensaio ou parágrafo descrevendo três máquinas diferentes que incorporam rolamentos de esferas ou de rolos. Como o uso dos rolamentos melhora a máquina?

Alinhamento a Estruturas Curriculares

Observação: Os planos de aula desta série estão alinhados a um ou mais dos seguintes conjuntos de padrões:

• S. Padrões de Educação Científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Padrões de ciência da próxima geração (http://www.nextgenscience.org/)
• Padrões para Alfabetização Tecnológica da Associação Internacional de Educação em Tecnologia (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Princípios e Padrões do Conselho Nacional de Professores de Matemática para Matemática Escolar (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Padrões Estaduais de Núcleo Comum para Matemática (http://www.corestandards.org/Math)
• Padrões de ciência da computação do ensino fundamental e médio da Computer Science Teachers Association (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Padrões Nacionais de Educação Científica Série K-4 (idades de 4 a 9)

CONTEÚDO PADRÃO B: Ciências Físicas

Como resultado de suas atividades, todos os alunos devem desenvolver uma compreensão de

• Propriedades de objetos e materiais
• Posição e movimento de objetos

CONTEÚDO PADRÃO E: Ciência e Tecnologia

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver

• Habilidades de design tecnológico

CONTEÚDO PADRÃO G: História e natureza da ciência

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver a compreensão de

• Ciência como um esforço humano

Padrões Nacionais de Educação Científica Do 5º ao 8º anos (idades de 10 a 14)

CONTEÚDO PADRÃO B: Ciências Físicas

Como resultado de suas atividades, todos os alunos devem desenvolver uma compreensão de

• Propriedades e mudanças de propriedades na matéria
• Movimentos e forças
• Transferência de energia

CONTEÚDO PADRÃO E: Ciência e Tecnologia

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver

• Habilidades de design tecnológico

CONTEÚDO PADRÃO G: História e natureza da ciência

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver a compreensão de

• Ciência como um esforço humano
• História da ciência

Padrões Nacionais de Educação Científica Do 9º ao 12º anos (idades de 14 a 18)

CONTEÚDO PADRÃO B: Ciências Físicas

Como resultado de suas atividades, todos os alunos devem desenvolver a compreensão de

• Movimentos e forças
• Interações de energia e matéria

CONTEÚDO PADRÃO E: Ciência e Tecnologia

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver

• Habilidades de design tecnológico
• Noções sobre ciência e tecnologia

Padrões Nacionais de Educação Científica Do 9º ao 12º anos (idades de 14 a 18)

CONTEÚDO PADRÃO F: Ciência em perspectivas pessoais e sociais

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver a compreensão de

• Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais

CONTEÚDO PADRÃO G: História e natureza da ciência

Como resultado das atividades, todos os alunos devem desenvolver a compreensão de

• Perspectivas históricas

Padrões de ciência da próxima geração - séries 2 a 5 (idades 7 a 11)

Matéria e suas interações

• 2-PS1-2. Analise os dados obtidos a partir do teste de diferentes materiais para determinar quais materiais têm as propriedades mais adequadas para o propósito pretendido.

Movimento e estabilidade: forças e interações

Os alunos que demonstram compreensão podem:

• 3-PS2-1. Planeje e conduza uma investigação para fornecer evidências dos efeitos de forças equilibradas e desequilibradas no movimento de um objeto.

Design de engenharia

Os alunos que demonstram compreensão podem:

• 3-5-ETS1-1. Defina um problema de projeto simples que reflita uma necessidade ou desejo que inclua critérios especificados para sucesso e restrições de materiais, tempo ou custo.
• 3-5-ETS1-2.Gere e compare várias soluções possíveis para um problema com base na probabilidade de cada uma atender aos critérios e restrições do problema.

Padrões de ciência da próxima geração - séries 6 a 8 (idades 11 a 14)

Design de engenharia

Os alunos que demonstram compreensão podem:

• MS-ETS1-2 Avalie soluções de design concorrentes usando um processo sistemático para determinar o quão bem elas atendem aos critérios e restrições do problema.

Padrões para alfabetização tecnológica - todas as idades

Tecnologia e Sociedade

• Padrão 6: Os alunos desenvolverão uma compreensão do papel da sociedade no desenvolvimento e uso da tecnologia.
• Padrão 7: Os alunos desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia na história.

Design

• Padrão 8: Os alunos desenvolverão uma compreensão dos atributos de design.

Padrão 9: Os alunos desenvolverão uma compreensão da engenharia

Passo um:

Leia as Folhas de Referência do Aluno para aprender sobre rolamentos e a história e evolução dos rolamentos de esferas e rolos.

Passo dois:

Trabalhando em grupos de 3-4 alunos, tente mover a tampa fornecida a você sobre várias superfícies - livro, mesa, chão, carpete.

Questão:

1. Qual foi a diferença no atrito ao mover a tampa em diferentes superfícies? Qual superfície exibiu mais atrito? Porque?

Terceiro Passo:

Coloque bolas de gude apenas o suficiente na tampa do frasco para encher quase todo o espaço com bolas de gude (não encha demais para que as bolinhas não possam se mover livremente). Use um livro para virar a tampa e agora tente mover a tampa com as “bolas” de mármore, auxiliando nos movimentos da tampa de fricção nas mesmas superfícies experimentadas anteriormente.

Questões:

1. Qual foi a diferença no atrito que você experimentou com as bolas de gude rolando sob a tampa?

2. Os mármores ajudaram em todas as superfícies? Apenas alguns? Qual superfície, se houver, agora exibia mais atrito? Porque?

Passo Quatro:

Experimente uma variação em que um livro ou outro peso é colocado no topo da tampa (com e sem bolinhas).

Questões:

1. A base de mármore permite um movimento mais fácil quando os pesos são adicionados?

2. Você consegue pensar em um aplicativo para um dispositivo como este? Quem precisaria mover itens com pesos pesados? Como isso ajudaria?

3. Liste três máquinas diferentes que incorporam rolamentos de esferas ou de rolos.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Folha de trabalho opcional do aluno:
Você é o engenheiro! Resolução de problemas com rolamentos de rolo

Instruções

Você é o engenheiro! Trabalhe em equipe e elabore um plano usando rolamentos de rolos para mover uma das carteiras de sua sala de aula, ou uma mesa, 10 metros usando os materiais fornecidos. Desafio: limite a força que você aplica para fazer a escrivaninha ou mesa se mover para o que você pode empurrar usando apenas o dedo indicador. Você pode usar até 100 lápis, fita adesiva.

Materiais

Um conjunto de materiais para cada grupo de alunos:

• 100 lápis
• fita
• elásticos
• Seção de carpete ou tapete

Passo um:

Desenhe uma ilustração mostrando sua solução planejada abaixo.

Passo dois:

Experimente o seu plano! Veja se você consegue mover a mesa usando apenas - os engenheiros trabalham em escalas diferentes o tempo todo!

Questões:

1. Você planejou um trabalho de design? Por que ou por que não?

2. Que revisões você teve que fazer em seu plano para torná-lo uma solução mais eficaz?

3. Você conseguiu mover a escrivaninha / mesa usando apenas a força de um dedo indicador?