Отримання підшипників

Будівельні матеріали (для кожної команди)

Необхідні матеріали для заходів 1, 2, 3

• Кришка баночки (від майонезу або подібної ємності)
• 25 кульок однакового розміру (більше, ніж глибина кришки)
• книга
• Розділ килима або килимка 

Необхідні матеріали для конкурсу

• 100 олівців
• Ляпас
• 25 гумок

Випробувальні матеріали

• Стіл або столик
• Розділ килима або килимка

Матеріали

• Стіл або столик
• Розділ килима або килимка

Процес

Команди перевіряють свої конструкції, показуючи, як вони можуть переміщати стіл/стіл на 10 футів лише вказівним пальцем.

Design Challenge

Ви - група інженерів, які працюють разом над розробкою системи з використанням роликових підшипників для переміщення однієї з ваших столів у класі або столу на 10 футів. Обмежте силу, яку ви докладаєте, щоб перемістити стіл або стіл до того, що ви можете натиснути лише вказівним пальцем.

Критерії

• Необхідно перемістити письмовий стіл або стіл на 10 футів.
• Для переміщення столу чи столу використовуйте лише вказівний палець.

Обмеження

• Можна використовувати тільки до 100 олівців, стрічки та 25 гумок
• Використовуйте лише надані вам матеріали.

1. Розбийте клас на команди 3-4.
2. Роздайте робочий аркуш «Отримання підшипників», а також кілька аркушів паперу для ескізів малюнків.
3. Обговоріть теми у розділі «Основні поняття». Попросіть студентів відчути силу тертя, коли намагаються перемістити кришку (відкриту частину вниз) банки по різних поверхнях: стільниці, підлозі з плитки, шматку килима. Попросіть студентів запропонувати різні машини, які мають кулькові або роликові підшипники.
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами.
5. Надайте кожній команді свої матеріали.
6. Покажіть учням, що вони виконуватимуть 3 дії, а потім виклик.
   Вправа 1: Учні намагаються перемістити надану їм кришку над кількома поверхнями - книгою, робочим столом, підлогою, килимом.
   Вправа 2: Учні кладуть у кришку банки стільки, скільки потрібно, щоб майже заповнити простір мармурами (вони не повинні переповнювати його, щоб кульки не могли вільно рухатися). Далі їм слід використати книгу, щоб перевернути кришку, а потім спробувати перемістити кришку з мармуровими «кульками».
   Вправа 3: Учні пробують варіант, коли книгу або іншу вагу кладуть поверх кришки (з мармурами та без них).
7. Поясніть, що для виклику студенти повинні спроектувати систему з використанням роликових підшипників для переміщення однієї з аудиторних пар або столу на 10 футів. Вони повинні обмежити силу, яку вони прикладають, щоб змусити стіл або стіл переміститися до того, що вони можуть натиснути, використовуючи лише вказівний палець.
8. Повідомте, скільки часу їм потрібно на проектування та побудову (рекомендується 1 година).
9. Використовуйте таймер або онлайн секундомір (функція зворотного відліку), щоб забезпечити своєчасне виконання. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте студентам регулярні «перевірки часу», щоб вони продовжували виконувати завдання. Якщо вони борються, задайте питання, які приведуть їх до рішення швидше.
10. Учні знайомляться і розробляють план своєї системи роликових підшипників. Вони узгоджують необхідні матеріали, пишуть/малюють свій план і представляють свій план класу.
11. Команди будують свої конструкції.
12. Команди перевіряють свої конструкції, показуючи, як вони можуть переміщати стіл/стіл на 10 футів лише вказівним пальцем.
13. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.
14. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Необов’язково для старших учнів

Попрацюйте в командах, щоб дослідити, чи інші форми підшипників можуть мати переваги перед поточними конструкціями кульок або роликів. Чому чи чому б ні?

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Діяльність 1:
   - Яка різниця в тертях при переміщенні кришки по різних поверхнях?
   - Яка поверхня виявляла найбільше тертя? Чому?
2. Діяльність 2:
   - Яка різниця в тертях, які ви відчули при коченні мармуру
   під кришкою?
   - Чи допомогли мармури на всіх поверхнях? Тільки деякі?
   - Яка поверхня, якщо вона є, зараз виявляє найбільше тертя? Чому?
3. Діяльність 3:
   - Чи дозволяє мармурова основа легше переміщатися, коли додаються ваги?
   - Ви можете придумати додаток для такого пристрою?
   - Кому потрібно буде переміщати предмети з великою вагою? Як це допомогло б?
   - Перелічіть три різні машини, які мають кулькові або роликові підшипники.
4. Задача:
   - Ви планували проектні роботи? Чому чи чому б ні?
   - Які зміни ви мали внести до свого плану, щоб зробити його більш ефективним рішенням?
   - Чи вдалося вам перемістити стіл/стіл, використовуючи лише силу одного вказівного пальця?

Урок можна зробити лише за 1 клас для старших учнів. Однак, щоб допомогти студентам почуватися поспішно і забезпечити успіх студентів (особливо для молодших школярів), розділіть урок на два періоди, що дає студентам більше часу на мозковий штурм, перевірку ідей та доопрацювання їх дизайну. Проведіть тестування та опис у наступному класі.

Що таке тертя?

Як допомагають кулькові підшипники? 

Тертя

Тертя - це термін, який описує, скільки опору існує для переміщення двох об’єктів над іншим. Чим сильніше тертя, тим важче плавно рухатись двом об’єктам. З меншим тертям предмети легко і плавно рухаються один проти одного. Наприклад, шматок гуми мав би більше тертя, рухаючись по килиму, ніж гладкий підручник. У машинах деталі труться одна об одну, і підвищене тертя може швидше зношувати деталі.

кулькові підшипники

Термін "кульковий підшипник" іноді означає підшипниковий вузол, який використовує сферичні підшипники як елементи кочення. Це також означає індивідуальну кульку для вузла підшипників. Кулькові підшипники виготовлені з багатьох різних матеріалів, включаючи кераміку, метали, нержавіючу сталь та інші гібридні матеріали. Вони допомагають зменшити тертя, що продовжує роботу машин. Вони також можуть дозволити машині працювати тихіше. Підшипники були розроблені за простим принципом - об’єкти котяться легше, ніж ковзають. Коли два об’єкти ковзають один проти одного, як книга на столі або баночка на килимі, тертя між поверхнями сповільнює рух. Якщо замість цього об’єкти могли б перевертатися один на одного, то площа торкання поверхні обмежується, а отже тертя зменшується.

Підшипники кочення

Підшипник кочення-це підшипник, який несе навантаження шляхом розміщення круглих елементів між двома частинами. Відносне переміщення частин змушує круглі елементи котитися (падати) з невеликим ковзанням. На малюнку ви можете побачити, як кульки укладені між круглими частинами. Одним з найдавніших і найвідоміших підшипників кочення є набори колод, які покладені на землю великим кам’яним блоком зверху. Коли камінь тягнеться, колоди котяться по землі з невеликим тертям ковзання. Коли кожне колода виходить ззаду, воно переміщується вперед, де блок потім котиться до нього. Ви можете імітувати такий підшипник, поклавши на стіл кілька ручок або олівців і поклавши на них руку.

Велосипеди без кулькових підшипників? Гірки без роликових підшипників?

Велосипеди - чудовий приклад машини, яка використовує кульові підшипники для зменшення тертя. Кулькові підшипники можна знайти в педалях, у передніх і задніх маточинах коліс, а також у трубці, де кріпиться кермо. А скейтборди та роликові лопаті також мають кулькові підшипники! Крім цих прикладів, кулькові підшипники є важливим елементом конструкції бурових установок, літаків та автомобілів. Роликові підшипники використовуються в американських гірках!

Історія кульових підшипників - еволюція продукту  

Історія

Ранній приклад дерев’яного кульового підшипника, що підтримує обертовий стіл, був вилучений із залишків римського корабля на озері Немі, Італія. Затонуле судно датується 40 роком до нашої ери. Кажуть, що Леонардо да Вінчі описав тип кульового підшипника близько 1500 року. Одна з проблем кулькових підшипників полягає в тому, що вони можуть тертися один про одного, викликаючи додаткове тертя, але цьому можна запобігти, якщо помістити кулі в клітку . Захоплений кульковий підшипник або описаний Галілеєм у 1600 -х роках.

інновація

Генрі Тімкен, візіонер 19-го століття та новатор у виробництві карет, запатентував конічний роликовий підшипник у 1898 році. Він уявляв собі бізнес, побудований на вирішенні критичної, вікової технічної проблеми: тертя, сили, що перешкоджає руху предметів, що контактують з один одного. «Людина, яка могла б придумати щось таке, що в корені зменшило б тертя, - зауважив Тімкен, - досягне чогось справжнього для світу». Наступного року він створив The Timken Company для виробництва своєї інновації.

Дизайн та вдосконалення продукції

Коли Генрі починав свою роботу з розробки, домінуючим підшипником був ковзаючий підшипник, або "тертя", який використовувався з незначними змінами з давніх часів. По суті, це була металева вкладиш у отворі навколо обертового вала, з основною роботою зменшення тертя залежно від змащення. Генрі почав експериментувати з підшипниками, але вони швидко вийшли з ладу. Він зробив висновок, що "роликові" підшипники мають більшу обіцянку для транспортних засобів, таких як автомобілі, оскільки вага вантажу- настільки важчого, ніж на велосипеді,- може нестись по всій довжині роликів, на відміну від одинарних точка контакту на кожному кульковому підшипнику. Генрі спробував прямі ролики, але зупинився на конічних, що дозволяло підшипникам утримувати сили з усіх боків. З 1899 року компанія Timken випустила більше шести мільярдів підшипників, а зараз виготовляє підшипники різних типів.

Промисловість та застосування

Кулькові підшипники використовуються в більшості галузей промисловості, включаючи транспорт, аерокосмічну промисловість, виробництво, сільське господарство та спорт/розваги. Ви знайдете деякі приклади кульових або роликових підшипників, які використовуються в посадкових колесах літаків, вітрогенераторах, супутниках та прокатних станах. Мініатюрні підшипники можна знайти в медичних цілях, таких як стоматологічне обладнання.

Інтернет-з'єднання

• Американська асоціація виробників підшипників - хронологія підшипників

Рекомендована література

• Тімкен: Від Міссурі до Марса - століття лідерства у виробництві (ISBN: 0875848877)
• Наука про велосипед, Девід Гордон Вілсон (ISBN: 0262731541)
• Кулькові та роликові підшипники: теорія, дизайн та застосування (ISBN: 0471984523)

Письмова діяльність

Напишіть твір або абзац із описом трьох різних машин, які мають кулькові або роликові підшипники. Як використання підшипників покращує роботу машини?

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Плани уроків у цій серії узгоджуються з одним або кількома з наступних наборів стандартів:

• С. Стандарти наукової освіти (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Наукові стандарти наступного покоління (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти щодо технологічної грамотності (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• С. Принципи та стандарти шкільної математики Національної ради вчителів математики (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• С. Загальні основні державні стандарти з математики (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоціація викладачів інформатики K-12 Стандарти комп'ютерних наук (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Національні стандарти наукової освіти Класи K-4 (віком 4-9)

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Властивості предметів та матеріалів
• Положення та рух предметів

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука як зусилля людини

Національні стандарти наукової освіти 5-8 класи (10-14 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Властивості та зміни властивостей речовини
• Рухи та сили
• Передача енергії

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука як зусилля людини
• Історія науки

Національні стандарти наукової освіти 9-12 класи (14-18 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Рухи та сили
• Взаємодія енергії та речовини

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування
• Розуміння про науку і техніку

Національні стандарти наукової освіти 9-12 класи (14-18 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ F: Наука в особистих та соціальних перспективах

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука та технології у місцевих, національних та глобальних викликах

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Історичні перспективи

Наукові стандарти наступного покоління - 2-5 класи (вік 7-11)

Матерія та її взаємодія

• 2-PS1-2. Проаналізуйте дані, отримані в результаті випробування різних матеріалів, щоб визначити, які матеріали мають властивості, які найкраще підходять для прямого призначення.

Рух і стабільність: сили та взаємодії

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 3-PS2-1. Сплануйте та проведіть розслідування, щоб надати докази впливу врівноважених та незбалансованих сил на рух об’єкта.

Інженерний дизайн

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 3-5-ETS1-1. Визначте просту дизайнерську проблему, що відображає потребу або потребу, яка включає визначені критерії успіху та обмеження на матеріали, час або вартість.
• 3-5-ETS1-2. Сформувати та порівняти декілька можливих варіантів вирішення проблеми, виходячи з того, наскільки кожен з них, ймовірно, відповідає критеріям та обмеженням проблеми.

Наукові стандарти наступного покоління - 6-8 класи (вік 11-14)

Інженерний дизайн

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• MS-ETS1-2 Оцініть конкурентні проектні рішення, використовуючи систематичний процес, щоб визначити, наскільки вони відповідають критеріям та обмеженням проблеми.

Стандарти технологічної грамотності - всі віки

Технологія та суспільство

• Стандарт 6: Студенти розвинуть розуміння ролі суспільства у розвитку та використанні технологій.
• Стандарт 7: Студенти розвинуть розуміння впливу технології на історію.

дизайн

• Стандарт 8: Студенти розвинуть розуміння атрибутів дизайну.

Стандарт 9: Студенти розвиватимуть розуміння техніки

Крок перший:

Прочитайте учнівські довідники, щоб дізнатися про підшипники та історію та еволюцію кульових та роликових підшипників.

Крок другий:

Працюючи в групах по 3-4 учні, спробуйте перемістити надану вам кришку над кількома поверхнями-книжковою, настільною, підлоговою, килимовою.

Питання:

1. Яка різниця в тертях при переміщенні кришки по різних поверхнях? Яка поверхня виявляла найбільше тертя? Чому?

Крок третій:

Покладіть в кришку банки стільки кульки, щоб майже заповнити простір мармурами (не переповнюйте, щоб кульки не могли вільно рухатися). Переверніть кришку за допомогою книги, а тепер спробуйте перемістити кришку з мармуровими «кульками», допомагаючи рухати фрикційну кришку по тих самих поверхнях, які пробували раніше.

питання:

1. Яка різниця в тертях, які ви відчули, коли мармури котилися під кришкою?

2. Чи допомогли мармури на всіх поверхнях? Тільки деякі? Яка поверхня, якщо вона є, зараз виявляє найбільше тертя? Чому?

Крок четвертий:

Спробуйте варіант, коли книгу або іншу вагу кладуть поверх кришки (з мармурами та без них).

питання:

1. Чи дозволяє мармурова основа легше переміщатися, коли додаються ваги?

2. Чи можете ви придумати додаток для такого пристрою? Кому потрібно буде переміщати предмети з великою вагою? Як це допомогло б?

3. Перелічіть три різні машини, які мають кулькові або роликові підшипники.

1: _____________ 2. ______________ 3 ._____________

Додатковий аркуш учнів:
Ви інженер! Вирішення проблем з роликовими підшипниками

інструкції

Ви інженер! Попрацюйте в команді та складіть план, використовуючи роликові підшипники, щоб перемістити одну з ваших столів у класі або стіл на 10 футів за допомогою наданих матеріалів. Виклик: обмежте силу, яку ви прикладаєте, щоб перемістити стіл або стіл до того, що ви можете натиснути лише вказівним пальцем. Можна використовувати до 100 олівців, скотча.

Матеріали

Один комплект матеріалів для кожної групи студентів:

• 100 олівців
• стрічка
• гумки
• Розділ килима або килимка

Крок перший:

Нижче намалюйте ілюстрацію, на якій показано ваше заплановане рішення.

Крок другий:

Випробуйте свій план! Подивіться, чи можна переміщати письмовий стіл лише за допомогою - інженери весь час працюють у різних масштабах!

питання:

1. Ви планували проектні роботи? Чому чи чому б ні?

2. Які зміни ви мали внести до свого плану, щоб зробити його більш ефективним рішенням?

3. Чи вдалося вам перемістити стіл/стіл, використовуючи лише силу одного вказівного пальця?