Добијање лежајева

Материјали за израду (за сваки тим)

Потребни материјали за активности 1, 2, 3

• Поклопац тегле (од мајонезе или сличног контејнера)
• 25 мермера идентичне величине (већи од дубине употребљеног поклопца)
• Rezervišite
• Део тепиха или тепиха 

Потребни материјали за изазов

• 100 оловака
• Касета
• 25 гумица

Материјали за испитивање

• Сто или мали сто
• Део тепиха или тепиха

Materijali

• Сто или мали сто
• Део тепиха или тепиха

Процес

Тимови тестирају своје дизајне показујући како могу да померају сто/сто 10 стопа само кажипрстом.

Дизајн изазов

Ви сте тим инжењера који заједно раде на дизајнирању система помоћу ваљкастих лежајева за померање једне од ваших учионица или стола за 10 стопа. Ограничите силу коју примењујете да бисте померили сто или сто на оно што можете притиснути само кажипрстом.

kriterijumi

• Морате померити сто или сто 10 стопа.
• За померање стола или стола користите само кажипрст.

Ограничења

• Може се користити само до 100 оловака, трака и 25 гумица
• Користите само материјале који су вам дати.

1. Поделите класу на тимове од 3-4.
2. Подијелите радни лист Геттинг иоур Беарингс, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
3. Разговарајте о темама у одељку Позадински концепти. Замолите ученике да осете снагу трења када покушавају да померају поклопац (отворени део надоле) тегле преко различитих површина: радне површине, пода од плочица, комада тепиха. Замолите ученике да предложе различите машине које садрже кугличне или ваљкасте лежајеве.
4. Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
5. Обезбедите сваки тим својим материјалима.
6. Реците ученицима да ће завршити 3 активности, а затим изазов.
   Активност 1: Ученици покушавају померити поклопац који им је дат на неколико површина - књига, радна површина, под, тепих.
   Активност 2: Ученици стављају таман толико кликера у поклопац тегле да скоро испуне простор мермерима (не би требало да га напуне тако да се кликери не могу слободно кретати). Затим би требали користити књигу да окрену поклопац, а затим покушати да померају поклопац са мермерним „куглицама“.
   Активност 3: Ученици испробавају варијацију у којој се књига или друга тежина ставља на врх поклопца (са и без кликера).
7. Објасните да за изазов ученици морају дизајнирати систем који користи ваљкасте лежајеве за померање једне од учионица или стола за 10 стопа. Требали би ограничити силу коју примјењују како би радни стол или стол премјестили на оно што могу притиснути само кажипрстом.
8. Најавите колико им је времена потребно за дизајн и израду (препоручује се 1 сат).
9. Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
10. Ученици се састају и развијају план свог система ваљкастих лежајева. Договарају се о материјалима који ће им бити потребни, пишу/цртају свој план и презентују свој план разреду.
11. Тимови граде своје дизајне.
12. Тимови тестирају своје дизајне показујући како могу да померају сто/сто 10 стопа само кажипрстом.
13. Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
14. За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.

Факултативно за старије ученике

Радите у тимовима како бисте истражили да ли други облици лежајева могу имати предности у односу на тренутни дизајн куглица или ваљака. Зашто или зашто не?

Рефлексија ученика (инжењерска свеска)

1. Активност 1:
   - Која је разлика у трењу при померању поклопца по различитим површинама?
   - Која је површина показала највеће трење? Зашто?
2. Активност 2:
   - Која је била разлика у трењу које сте искусили при ваљању кликера
   испод поклопца?
   - Да ли су кликери помогли на свим површинама? Само неке?
   - На којој је површини, ако постоји, сада изложено највише трења? Зашто?
3. Активност 3:
   - Да ли мермерна база омогућава лакше кретање када се додају тегови?
   - Можете ли смислити апликацију за овакав уређај?
   - Ко би морао да премешта предмете велике тежине? Како би ово помогло?
   - Наведите три различите машине које садрже кугличне или ваљкасте лежајеве.
4. Изазов:
   - Да ли сте планирали дизајнерске радове? Зашто или зашто не?
   - Које сте измене планирали да бисте га учинили ефикаснијим решењем?
   - Да ли сте могли да померите радни сто користећи само силу из једног кажипрста?

Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.

Шта је трење?

Како помажу куглични лежајеви? 

Трење

Трење је термин који описује колики отпор постоји за кретање два објекта над другим. Што је веће трење, два објекта се теже крећу глатко. Са мање трења, предмети се лако и глатко крећу један против другог. На пример, комад гуме имао би веће трење при кретању по тепиху него што би то учинио глатки уџбеник. У машинама се делови трљају један о други и повећано трење може брже истрошити делове.

Лежајеви

Израз куглични лежај понекад означава лежајни склоп који користи сферне лежајеве као ваљачке елементе. То такође значи појединачну куглу за склоп лежаја. Куглични лежајеви су направљени од много различитих материјала, укључујући керамику, метале, нерђајући челик и друге хибридне материјале. Они помажу у смањењу трења, што одржава машине да раде дуже. Такође могу омогућити машини да ради тише. Лежајеви су дизајнирани по једноставном принципу - да се предмети лакше котрљају него што клизе. Када два предмета клизе један против другог, попут књиге на столу или тегле на тепиху, трење између површина успорава кретање. Ако би се предмети уместо тога могли превртати један преко другог, тада је количина површине која се додирује ограничена и тако се смањује трење.

Лежајеви котрљајућих елемената

Лежај са котрљајућим лежајевима је лежај који носи терет постављањем округлих елемената између два дела. Релативно кретање комада доводи до тога да се округли елементи котрљају (преврћу) са малим клизањем. На слици можете видети како су лоптице затворене између округлих делова. Један од најранијих и најпознатијих лежајева котрљајућих елемената су комплети трупаца положени на земљу са великим каменим блоком на врху. Док се камен повлачи, трупци се котрљају по тлу с малим клизањем. Како сваки балван излази позади, помера се напред, где се блок затим откотрља до њега. Такав лежај можете имитирати постављањем неколико оловака или оловака на сто и стављањем руке на њих.

Бицикли без кугличних лежајева? Тобогани без ваљкастих лежајева?

Бицикли су одличан пример машине која користи кугличне лежајеве за смањење трења. Куглични лежајеви се могу наћи у педалама, у предњим и задњим главчинима точкова и цеви где су причвршћени управљачи. А скејтборд и ваљци такође садрже кугличне лежајеве! Осим ових примера, куглични лежајеви су важан дизајнерски елемент нафтних бушилица, авиона и аутомобила. Ваљкасти лежајеви се користе у ролеркостерима!

Историја кугличних лежајева - еволуција производа  

историја

Рани пример дрвеног кугличног лежаја који подржава ротирајући сто извучен је из остатака римског брода у језеру Неми у Италији. Олупина је датирана у 40. пне. За Леонарда да Винција се каже да је описао врсту кугличног лежаја око 1500. године. Један од проблема са кугличним лежајевима је тај што се могу трљати један о други, узрокујући додатно трење, али то се може спријечити затварањем куглица у кавез. . Ухваћени или затворени куглични лежај првобитно је описао Галилео 1600 -их.

Иновација

Хенри Тимкен, визионар и иноватор у производњи колица из 19. века, патентирао је конусни ваљкасти лежај 1898. Замислио је посао заснован на решавању критичног, вековног техничког проблема: трење, сила која омета кретање објеката у додиру са један другог. „Човек који је могао да смисли нешто што би фундаментално смањило трење“, приметио је Тимкен, „постигао би нешто од стварне вредности за свет“. Следеће године основао је Тимкен Цомпани како би произвео своју иновацију.

Дизајн и побољшање производа

Кад је Хенри започео свој развој, доминантни лежај био је клизни лежај или лежај који се користио с малим промјенама од давнина. То је у суштини био метални омотач у рупи око ротирајућег вратила, са главним радом смањења трења у зависности од подмазивања. Хенри је почео да експериментише са кугличним лежајевима, али су они брзо испали од хабања. Закључио је да се "ваљкасти" лежајеви више обећавају за возила, попут аутомобила, јер се тежина терета- толико већа него на бициклу- могла носити по целој дужини ваљака, за разлику од појединачних додирна тачка на сваком кугличном лежају. Хенри је испробао праве ваљке, али се задржао на конусним, што је омогућило лежајевима да издрже силе из свих праваца. Од 1899. године Тимкен Цомпани је произвела више од шест милијарди лежајева, а сада производи лежајеве различитих врста.

Индустрије и примене

Куглични лежајеви се користе у већини индустрија, укључујући транспорт, ваздухопловство, производњу, пољопривреду и спорт/забаву. Наћи ћете неке примере кугличних или ваљкастих лежајева који се користе у точковима за слетање авиона, ветрогенераторима, сателитима и ваљаоницама. Минијатурни лежајеви се могу наћи у медицинским апликацијама, као што је стоматолошка опрема.

Интернет Цоннецтионс

• Америчко удружење произвођача лежајева - Временска линија лежајева

Рецоммендед Реадинг

• Тимкен: Од Миссоурија до Марса - век лидерства у производњи (ИСБН: 0875848877)
• Наука о бициклизму, Давид Гордон Вилсон (ИСБН: 0262731541)
• Куглични и ваљкасти лежајеви: теорија, дизајн и примена (ИСБН: 0471984523)

Писање активности

Напишите есеј или одломак који описује три различите машине које садрже кугличне или ваљкасте лежајеве. Како употреба лежајева побољшава машину?

Усклађивање са оквирним програмима

Белешка: Планови лекција у овој серији усклађени су са једним или више следећих скупова стандарда:

• С. Стандарди научног образовања (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• С. Научни стандарди следеће генерације (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• С. Национално веће наставника математике „Принципи и стандарди за школску математику“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• С. Заједнички основни државни стандарди за математику (http://www.corestandards.org/Math)
• Удружење наставника информатике К-12 Стандарди рачунарске науке (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди научног образовања Разреди К-4 (узраст 4-9 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Особине предмета и материјала
• Положај и кретање предмета

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

• Способности технолошког дизајна

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Наука као људски подухват

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10-14 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Особине и промене својстава у материји
• Покрети и силе
• Пренос енергије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

• Способности технолошког дизајна

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Наука као људски подухват
• Историја науке

Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање

• Покрети и силе
• Интеракције енергије и материје

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

• Способности технолошког дизајна
• Разумевање науке и технологије

Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Наука и технологија у локалним, националним и глобалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

• Историјске перспективе

Научни стандарди следеће генерације - разреди 2-5 (узраст 7-11)

Материја и њене интеракције

• 2-ПС1-2. Анализирајте податке добијене испитивањем различитих материјала како бисте утврдили који материјали имају својства која су најприкладнија за предвиђену намену.

Кретање и стабилност: Силе и интеракције

Студенти који покажу разумевање могу:

• 3-ПС2-1. Планирајте и спроведите истрагу како бисте пружили доказе о ефектима уравнотежених и неуравнотежених сила на кретање предмета.

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

• 3-5-ЕТС1-1.Дефинишите једноставан дизајн проблем који одражава потребу или потребу која укључује одређене критеријуме за успех и ограничења на материјале, време или трошкове.
• 3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.

Научни стандарди следеће генерације - разреди 6-8 (узраст 11-14)

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

• МС-ЕТС1-2 Процените конкурентска решења дизајна користећи систематски поступак да бисте утврдили колико добро испуњавају критеријуме и ограничења проблема.

Стандарди за технолошку писменост - сва доба

Технологија и друштво

• Стандард 6: Студенти ће развити разумевање улоге друштва у развоју и употреби технологије.
• Стандард 7: Студенти ће развити разумевање утицаја технологије на историју.

Дизајн

• Стандард 8: Студенти ће развити разумевање својстава дизајна.

Стандард 9: Студенти ће развити разумевање инжењерства

Први корак:

Прочитајте ученичке референтне листове да бисте сазнали о лежајевима и историји и еволуцији кугличних и ваљкастих лежајева.

Корак други:

Радећи у групама од 3-4 ученика, покушајте да померите поклопац који вам је дат на неколико површина-књигу, радну површину, под, тепих.

Питање:

1. Која је разлика у трењу померањем поклопца по различитим површинама? Која је површина показала највеће трење? Зашто?

Трећи корак:

Ставите таман толико кликера у поклопац тегле да скоро испуни простор мермерима (немојте га пунити превише да се кликери не могу слободно кретати). Окрените поклопац помоћу књиге, а сада покушајте да померите поклопац помоћу мермерних „куглица“ пружајући помоћ при померању трења поклопца по истим површинама које сте претходно испробали.

Питања:

1. Која је била разлика у трењу које сте искусили са кликерима који су се котрљали испод поклопца?

2. Да ли су кликери помогли на свим површинама? Само неке? На којој је површини, ако постоји, сада изложено највише трења? Зашто?

Корак четврти:

Испробајте варијацију у којој се књига или друга тежина ставља на врх поклопца (са и без кликера).

Питања:

1. Да ли мермерна база омогућава лакше кретање када се додају тегови?

2. Можете ли смислити апликацију за овакав уређај? Ко би морао да премешта предмете велике тежине? Како би ово помогло?

3. Наведите три различите машине које садрже кугличне или ваљкасте лежајеве.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Факултативни радни лист за ученике:
Ви сте инжењер! Решавање проблема са ваљкастим лежајевима

инструкције

Ви сте инжењер! Радите у тиму и осмислите план помоћу ваљкастих лежајева за помицање једне од ваших учионица или стола за 10 стопа користећи приложени материјал. Изазов: ограничите силу коју примењујете да би радни сто или сто прешли на оно што можете притиснути само кажипрстом. Можете користити до 100 оловака, трака.

Materijali

Један сет материјала за сваку групу ученика:

• 100 оловака
• трака
• гумице
• Део тепиха или тепиха

Први корак:

У наставку нацртајте илустрацију која приказује ваше планирано решење.

Корак други:

Испробајте свој план! Погледајте да ли можете да померите радни сто само помоћу - инжењери стално раде у различитим размерама!

Питања:

1. Да ли сте планирали дизајнерске радове? Зашто или зашто не?

2. Које сте промене морали да направите у свом плану како бисте га учинили ефикаснијим решењем?

3. Да ли сте могли да померате радни сто само помоћу силе из једног кажипрста?