LABORATORIJSKE VAJE MATERIALI 

PREDMETNI KATALOG - UČNI NAČRT

 

TEHNIŠKA GIMNAZIJA 

70 ur

 Učni načrt je bil sprejet na 37. seji Strokovnega sveta RS za splošno izobraževanje, 6. 7. 2000.

 

 

VSEBINA 

I. OPREDELITEV PREDMETA

II. CILJI PREDMETA IN STANDARDI ZNANJ

III. SPECIALNO-DIDAKTIČNA PRIPOROČILA

IV. OBVEZNI NAČINI PREVERJANJA IN OCENJEVANJA

V. LITERATURA

 

 

I. OPREDELITEV PREDMETA 

Program predmeta sestoji iz preprostih nalog in vaj, ki utrjujejo posamezna poglavja v predmetu MATERIALI. Večino opreme za izvedbo vaj šole prav gotovo imajo, priporočamo pa demonstracije v specializiranih laboratorijih ustreznih univerzitetnih oddelkov.

 

 

II. CILJI PREDMETA IN STANDARDI ZNANJ

 

Povezava s poglavjem 2 OSNOVE 

 

Povezava z 2.1.3 Kristalna zgradba materialov

 

Cilj: Dijak dobi s pomočjo modelov osnovno geometrijsko predstavo o kristalni mreži, zlogih atomov, ravninah in smereh, o osnovni celici.

Vaja 1: Kristalna zgradba materialov (2 uri)

Za vajo uporabim modele kristalnih mrež, sestavljen iz žic, in modele, sestavljene iz krogel.

  • Profesor pokaže mrežna mesta, položaje atomov, zloge v ravnini, oceno koordinacijskega sistema števila, smeri v kristalni mreži, prazna mesta med atomi.

  • Dijaki povezujejo velikost atomov z velikostjo osnovne celice, ugotovijo, katere ravnine so zasedene z veliko, katere z malo atomi, in ocenijo, kako velike atome bi lahko vstavili v prazna mesta med atomi.

     

    Povezava s 2.1.4 Mikrostruktura materialov

     

    Cilj: Dijak spozna osnove postopkov in pravila za pripravo materialografskih vzorcev ter načine opazovanja.

    Vaja 2: Priprava in opazovanje materialografskega vzorca (6 ur)

    Dijak spozna

  • opravila, osnovno opremo in materiale za pripravo materialografskih vzorcev;

  • sestavine in delovanje svetlobnega metalografskega mikroskopa;

  • osnove odkrivanja mikrostrukture vzorcev, opazovanja in ocenjevanja mikrostrukturnih sestavin;

  • profesor pokaže nekatere slikovne preglednice (etalone) in standarde za oceno mikrostrukture.

     

    Povezava z 2.1.5 Toplotno aktivirani procesi

     

    Cilj: Dijak spozna s pomočjo računalniškega modela gibanje atomov v kristalni mreži.

    Vaja 3: Difuzija v trdnih materialih (2 uri)

  • Profesor razloži s pomočjo grafičnega modela difuzijskega para na računalniku naslednje pojme: difuzijski par, difuzijska meja, koncentracijski gradient, difuzijski tok, difuzijski koeficient, 1. Fickov zakon.

  • Dijak spozna na modelu tudi spremembe poteka koncentracij atomov elementov difuzijskega para s časom.

     

    Povezava z 2.1.6  Fazni diagram

     

    Cilj: Dijak spozna metodo termične analize in njeno uporabo pri konstrukciji faznega diagrama.

    Vaja 4: Konstrukcija faznega diagrama (10 ur)

  • Profesor razloži fizikalno podlago termične analize in opiše opremo za eksperiment.

  • Dijak se nauči izpeljati poskus termične analize, analizirati krivulje termične analize in izbrati iz njih  podatke za načrtovanje faznega diagrama.

     

    Za načrtovanje priporočamo fazni diagram svinca in kositra, ker imata nizko tališče, prav tako tudi vse njune zlitine, in ker so fazne spremembe povezane z relativno velikimi spremembami toplote, tako da so krivulje termične analize jasne in preprosto izmerljive. Dobro se dá eksperimentirati tudi s sistemi kovin Bi-Cd, Bi-Sb (popolna topnost) ali Bi-Sn.

  • Dijaki pripravijo tudi materialografske vzorce, jih opazujejo z mikroskopom in uskladijo opazovanja s faznim diagramom.

  • Profesor opozori dijake, za katere namene so primerne zlitine glede na njihovo mikrostrukturo oziroma fazni diagram. 

     

    Povezava z 2.1.7  Fazne transformacije

     

    Cilj: Dijak spozna na primerih strjevanja in taljenja fazni transformaciji talina <==> trdno in na primeru kaljenja jekla fazno transformacijo v trdnem.

    Vaja 5: Fazne transformacije (6 ur)

  • Dijak spremlja s pomočjo termične analize strjevanje in taljenje ene od kovin in zlitin, ki jih je že uporabljal pri vaji 2.4.

  • Profesor opozori na pojav podhladitve pri strjevanju, na začetek in konec transformacije (strjevanje, taljenje), na oblike krivulj pri čistih kovinah ali zlitinah, na povezavo med dolžino izotermnega dela krivulje in spremembo toplotne energije sistema.

  • Profesor razloži fazne transformacije, ki spremljajo kaljenje jekla.

  • Dijaki naredijo poskus kaljenja jekla, merijo trdoto jekla in opazujejo mikrostrukturo jekla pred kaljenjem in po njem ter ugotovijo razlike, ki so posledica faznih tranformacij v trdnem jeklu.

     

    Povezava z 2.1.8 Deformacija materialov

     

    Cilj: Dijak spozna obnašanje nekaterih značilnih materialov pri mehanski obremenitvi in mehanske lastnosti materialov.

    Vaja 6: Natezni preizkus (8 ur)

    Dijak:

  • spozna pomen nateznega preizkusa za razvoj, karakterizacijo in kontrolo različnih materialov;

  • spozna lastnosti materialov, ki se lahko izmerijo z nateznim preizkusom;

  • spozna sestavine in načine delovanja univerzalnega stroja za mehanske preizkuse;

  • izve o pravilih za izdelavo preizkušancev in vrstah preizkušancev;

  • sodeluje pri pripravi preizkušancev, pri preizkusu in vrednotenju rezultatov preizkusa;

  • preizkuša nekatere značilne vrste materialov: npr. aluminij, maloogljično jeklo, kaljeno jeklo, sivo litino, polimerni material itd.;

  • primerja oblike krivulj napetost-deformacija različnih materialov in jih zna razložiti.

     

     

    Vaja 7: Tlačni preizkus (3 ure)

    Dijak:

  • spozna pomen tlačnega preizkusa za uporabo različnih materialov;  spozna tudi lastnosti materialov, ki se lahko izmerijo pri tlačnem preizkusu;

  • spozna oblike in pripravo preizkušancev za tlačni preizkus;

  • sodeluje pri tlačnem preizkusu in vrednotenju rezultatov;

  • primerja krivuljo napetost-deformacija različnih materialov kovine, polimera in keramike;

  • primerja jo tudi s krivuljo pri nateznem preizkusu.

  • Profesor razloži različno obliko prelomov pri nateznem in tlačnem preizkusu porušenih materialov.

     

    Vaja 8: Merjenje trdote materialov (3 ure)

  • Dijak spozna trdoto kot lastnost materiala in njen pomen za razvoj, karakterizacijo in kontrolo materialov.

  • Profesor razloži osnovne načine merjenja trdote in sestavo ter delovanje ene od naprav za merjenje trdote.

  • Dijak sodeluje pri pripravi vzorcev za meritev trdote, pri meritvi in vrednotenju rezultatov. Opazuje, kakšni so odtisi na površini vzorcev.

  • Profesor razloži, da se trdota lahko poveže z natezno trdnostjo.

     

    Potrebna oprema:

    - manjši metalografski laboratorij z možnostjo odvzema vzorcev (lahko tudi v mehanski delavnici, če je na šoli) z rezanjem (rezalka), napravo za brušenje (lahko tudi ročno z brusilnimi papirji) in napravo za poliranje; optični metalografski mikroskop za opazovanje v odbiti svetlobi,

    - kemikalije za pripravo materialografskih vzorcev,

    - slikovne tabele in standardi za oceno mikrostruktur,

    - univerzalni stroj za mehanske preizkuse,

    - možnost izdelave vzorcev (mehanska delavnica),

    - naprava za merjenje trdote (najbolje po Vickersu ali Brinellu),

    - aparature za termično analizo (električna peč, vertikalna, talilni lonci, termoelenenti, milivoltmeter, možnost zajemanja podatkov z računalnikom itd.),

    - peč (električna, komorna) do temperature približno 1000° C.

     

    Povezava s poglavjem 3

    ZGRADBA, LASTNOSTI, PREIZKUŠANJE, PROPADANJE, ZAŠČITA IN RECIKLIRANJE MATERIALOV

     

    Povezava s 3.1  Kovine (6 ur)

     

    Cilj: Dijak spozna preizkušanje tehnoloških lastnosti kovin. Ugotavlja sposobnost pločevine za preoblikovanje. 

    Vaja 1: Pregibni preizkus tanke pločevine

    Dijaki:

  • opravijo preizkus tako, da preizkušanec, širok 50 mm, upognejo do pravega kota, nato pa stisnejo pločevino do kota 180°, tako da vstavijo med kraka pločevine kos pločevine enake debeline, kot je preizkušanec;

  • preizkušajo različne vrste pločevine in opazujejo nastajanje morebitnih razpok na zunanji strani pločevine.

     

    Vaja 2: Preizkus globokega vleka

  • Dijaki izvedejo preizkus globokega vleka tanke pločevine po Erichsenu in opazujejo pločevino. Preizkus je preprost, poceni in hiter. Primerjajo različne pločevine.

     

    Vaja 3: Tehnološki preizkus žic

  • Dijaki preizkušajo žice, katerih premer je večji od 0,3 mm, z izmeničnim pregibanjem, štejejo število pregibov do pretrga in primerjajo rezultate.

     

    Vaja 4: Preizkušanje verig

  • Dijaki del verig (tri ali več členov) obremenijo do raztrga in ugotavljajo raztržno obremenitev. Verigo lahko obremenijo tudi z obremenitvijo, ki je večja od uporabne (1,5-krat), nato pa poiščejo razpoke in deformacije na členih.

     

    Vaja 5: Preizkušanje korozijske odpornosti  

    Dijaki:

  • vzorce iz najrazličnejših kovinskih materialov preizkušajo tako, da jih izpostavijo posebnim korozijskim pogojem (npr. potopitev v vodo). Ugotavljajo zmanjšanje teže, ki nastane zaradi korozije. Rezultate preizkusov izražajo z izgubo teže na enoto ploskve in enoto časa (g/m2h);

  • lahko izvajajo preizkuse tudi v naravnih pogojih, med seboj pa lahko primerjajo le materiale, ki so bili preizkušeni skupaj.

     

    Potrebna oprema 

    Vaje so izvedljive brez posebne opreme, napravo potrebujemo samo za preizkus globokega vleka pločevine.

     

     

    Povezava s 3.2 Polimerni materiali

     

    Cilj: Dijak spozna obnašanje plastičnih mas pri gorenju, spozna termične lastnosti, vpojnost in prepustnost vode polimernih materialov ter njihovo odpornost na vremenske razmere.

    Vaja 1: Prepoznavanje plastičnih mas (1 ura)

    Dijaki:

  • preizkušajo potek segrevanja plastične mase v plamenu, tako da jo nanesejo na nikljevo ploščico, katero segrevajo, aluminijeva folija pa služi za prestrezanje kapljic;

  • opazujejo naslednje lastnosti: vnetljivost (lahka ali težko vnetljiva), gorljivost (gori, ne gori, sajasti plamen, pri gorenju žari), barvo plamena, vonj, ostanek na ploščici (steklena vlakna).

     

    Vaja 2: Določevanje termičnih lastnosti (1 ura)

  • Dijaki spoznajo določevanje linearnega toplotnega koeficienta, preizkušanec (10 × 10 × 4) merijo s pomočjo dilatometra v vročem zraku pri segrevanju 1°/min.

     

    Vaja 3: Vpojnost in prepustnost vode (1 ura)

    Dijaki:

  • namakajo celoten izdelek 24 ur v destilirani vodi pri 23° C;

  • določijo vpojnost z razliko mas pred namakanjem in po njem.

     

    Vaja 4: Obstojnost na vremenske razmere

    Dijaki:

  • spremljajo vpliv sonca, razliko temperature, kisika, padavin na razgradnjo in razbarvanje mas;

  • si zapisujejo spremembe od enega tedna pa do več mesecev;

  • lahko primerjajo različne mase s kovinami.

     

     

    Potrebna oprema 

    Vaje potekajo v laboratoriju, oprema je navedena pri opisu vaj.

     

    Povezava s 3.3 Anorganski nekovinski materiali – keramika, steklo, cement (6 ur)

     

    Cilj: Dijak spozna plastičnost gline in proces žganja (sintranje) keramike, izmeri nekatere fizikalne lastnosti (trdnost/krhkost, toplotno prevodnost, električno prevodnost in superprevodnost). Spozna in analizira proces strjevanja cementa. Spozna tehniko preoblikovanja stekla v vročem.

     

    Povezava s 3.3.4 Klasična tehnična keramika: gradbena in sanitarna keramika, gospodinjska keramika, elektroporcelan, steatit, ognjevarna gradiva (šamot, magnezit)

     

    Vaja 1: Oblikovanje in sintranje keramike

     

    Cilj: Dijak spozna in zna razložiti plastično obnašanje mokre gline. Spozna najpomembnejši korak v proizvodnem procesu keramike – žganje ali sintranje. Ugotovi, ovrednoti in razloži procese med žganjem. Ugotovi skrček in spremembo mehanskih lastnosti.

    Dijaki:

  • izdelajo gipsni model za pravokotno keramično palico dimenzije 15 × 15 × 100 mm; naredijo ga z vtiskanjem lesene paličke v mokro gipsno maso; za lažjo ločitev lesene palice iz strjenega gipsa prelepijo leseno paličko s selotejpom;

  • prilagodijo plastičnost gline z ustreznim dodatkom vode; plastičnost je primerna, ko se da glino oblikovati v svaljke brez pokanja;

  • preoblikujejo plastično glino v paličko z vtiskanjem v gipsni model (različica: dijak pripravi suspenzijo in oblikuje paličko z vlivanjem);  po sušenju paličko vzamejo iz modela, jo stehtajo in določijo gostoto;

  • paličko sintrajo v peči; pogoje žganja (čas in temperaturo do 1050° C) določi za izbrano glino profesor s poskusom; po žganju dijaki paličko izmerijo, jo stehtajo in določijo gostoto; določijo skrček med sintranjem; sintrajo pri dveh temperaturah in ugotovijo razliko v skrčkih.

  • Možnost: Dijaki lahko iz svaljkov gline izdelajo različne predmete (skodelice, obeske, kipce itd.). Z vlivanjem suspenzije v gipsni model izdelajo lonček ali skodelico in jo odžgejo. 

     

    Povezava s 3.3.2 Tipične lastnosti na osnovi kemijskih vezi

     

    Cilj: Dijak ugotovi tipične lastnosti keramike, v primerjavi s kovinami nižjo upogibno trdnost, večjo krhkost in slabše prevajanje toplote. Pojave razloži z naravo kemijske vezi. Razume specifično uporabnost keramike.

    Vaja 2: Mehanske in toplotne lastnosti keramike

    Dijaki:

  • na paličko, ki so jo izdelali v 1. vaji, pritrdijo z voskom žebljičke v razdalji 2 cm; paličko pritrdijo v laboratorijsko stojalo in njen konec segrevajo nad plamenom plinskega gorilnika; merijo čas odpadanja žebljev in določijo hitrost širjenja toplote; podoben poskus izvedejo s kovinsko paličko enakih dimenzij in primerjajo rezultate;

  • določijo upogibno trdnost keramične paličke z obešanjem uteži na sredo paličke, ki je podprta na konceh; s primerjavo rezultatov ugotovijo razprševanje rezultatov, kar je tipično za keramiko; ugotovijo višjo trdnost keramike, žgane pri višji temperaturi; videz preloma keramike potrjuje krhkost keramike – prelom se da zlepiti.

     

     

    Povezava s 3.3.2 in 3.3.5 Tipične lastnosti in sodobna tehnična keramika

     

    Cilj: Dijak spozna, da keramični material zaradi narave kemijske vezi in kristalne strukture kaže močno različne električne lastnosti. Ugotovi, da je keramika izolator, lahko pa tudi polprevodnik ali celo superprevodnik. Zave se, da predstavlja zmožnost prilagajanja električnih lastnosti keramike potrebam v različni rabi velik potencial v sodobni tehniki.

    Vaja 3: Električne lastnosti keramike

    Dijaki:

  • izmerijo električno prevodnost keramične paličke, ki so jo izdelal v vaji 1; ugotovijo, da je izolator;

  • izmerijo prevodnost pozistorja, ki jim ga da profesor; ugotovijo, da je polprevodnik, kar dokažejo z merjenjem prevodnosti med segrevanjem s plinskim gorilnikom ali električnim sušilnikom; upornost s temperaturo pada;

  • naredijo superprevodnik YBa2Cu3O7-x in analizirajo lastnosti v tekočem dušiku;

  • pripravijo stehiometrično zmes Y2O3, BaO2 in CuO; za izdelavo superprevodne tablete zatehtajo 0,6 g Y2O3 in ustrezne količine BaO2 in CuO; okside zmešajo v porcelanski terilnici (vsaj 10 minut). Iz prašne mešanice stisnejo v ročni stiskalnici 2 tableti in ju odžgejo v porcelanski ladjici v peči pri ca. 930° C, 10 do 16 ur; hladijo počasi in zadržijo pri 500° C 10 ur. (Opomba: Kemikalije so strupene. Pazimo, da med mešanjem ne vdihavamo prahu. Po delu roke temeljito umijemo.)

     

    Dokaz superprevodnosti (poskus izvede profesor):

  • Meissnerjev efekt: Superprevodnik odbija magnetno polje. Superprevodno tableto postavimo v plastični kozarček, izoliran s stiroporom. Na tableto položimo močan magnetek. Previdno dolijemo v kozarček tekoči dušik iz Dewarjeve posode. (Tekoči dušik lahko povzroči opekline). Ko se tableta ohladi pod kritično temperaturo (~92 K), začne magnet lebdeti nad tabletko. Z rahlim dotikom s stekleno paličko ga lahko spravimo v sukanje.

  • Izguba električne upornosti (poskus vodi profesor). Izgubo upornosti pod kritično temperaturo dokažemo z merjenjem padca napetosti prek tablete. Merimo štiritočkovno, med pola vira napetosti (9-voltna baterija) vežemo zaporedno superprevodno tableto in 500 W upor. Upor prepreči kratek stik, ko postane tableta superprevodna. Vezje s tableto ohladimo v izoliranem plastičnem kozarcu s tekočim dušikom. Padec napetosti merimo z voltmetrom. Ko postane tableta superprevodna, kazalec voltmetra pokaže nič. 

     

    Povezava s 3.3.7 Cement: kalcijevi silikati, strjevanje

     

    Cilj: Dijak razume, da je proces strjevanja cementa in betona posledica kemijskih reakcij cementnih materialov z vodo. Razlikuje med cementom in betonom ter zna utemeljiti razmerje cement/pesek/voda. Razloži sproščanje toplote pri hidrataciji in ugotovi naraščanje trdnosti cementa v krajšem obdobju po hidrataciji.

    Vaja 4: Strjevanje cementa in betona

    Dijaki:

  • zamešajo cement, pesek, vodo, da dobijo tekočo pasto (približno razmerje 2 : 3 : 1). Z njo napolnijo lesen model dimenzije 20 × 20 × 300 mm. S termometrom dokažejo sproščanje toplote pri hidrataciji;

  • po strjevanju (7, 14, 28 dni) leseni model razstavijo in določijo upogibno trdnost strjenega betona - podobno kot upogibno trdnost keramike v vaji 2.

     

     

    Povezava s 3.3.6 Steklo: votlo, ploščato, kristalno 

     

    Cilj: Dijak spozna pojem »podhlajena talina«. Razume pomen viskoznosti in njene temperaturne odvisnosti. Razlikuje med viskoznostjo taline (1 - 100 Pa. sek) in viskoznostjo, ki omogoča oblikovanje stekla (103  - 104 Pa. sek). Spozna pojma »zmehčišče« in »temperatura popuščanja«.

    Vaja 5: Toplotno predelovanje stekla

  • Dijak segreva steklene cevke (nizkotalno steklo premera 5 mm) v plamenu plinskega gorilnika. Med segrevanjem cevko suka. Cevko na zmehčanem mestu potegne in jo zatali. Na stekleno cevko natakne gumijasto cev in s pihanjem v stekleno cevko oblikuje balonček. Steklene cevke v plamenu tudi krivi in spaja.

    Pri delu je potrebna previdnost: nevarnost opeklin.

     

     

    Potrebna oprema 

    Večina opreme je v kabinetih za pouk fizike in kemije. Specifična oprema je manjša peč za žganje keramike (do 1100° C, volumen 2 - 3 l) in ročna stiskalnica. Glino dobimo pri obrtnikih, v tovarnah keramike in gradbenih materialov ali v opuščenih glinokopih.

    Opomba: Če čas ne dopušča izvedbe vseh vaj, predlagamo izvedbo vsaj 1. in 2. vaje.

     

     

    Povezava s 3. 4 Les (4 ure)

     

    Povezava s 3.4.1  Les kot naravni polimerni material in kompozit, zgradba lesa

     

    Cilj: Dijak spozna les kot rasel, obnovljiv material s prevajalno, mehansko in založno funkcijo; dijak poveže anatomsko zgradbo posameznih tkiv z njihovo funkcijo; razume način priraščanja lesnih rastlin; definira les kot kompozit.

    Vaja 1: Spoznavanje makroskopske in mikroskopske zgradbe: beljava, črnjava, lubje; opazovanje prečnih, radialnih in tangencialnih prerezov lesa iglavca in listavca; kambij; les kot tkivni kompleks; les kot naravni kompozit.

  • Profesor pokaže dijakom debelna koluta starejšega rdečega bora in hrasta doba. Pokaže beljavo in odmrlo črnjavo.

  • Dijaki ugotovijo, da se tudi skorja deli na svetlejši, notranji, živi del - ličje in temnejši, zunanji, mrtvi del -lubje.

  • Profesor pojasni vlogo beljave, črnjave, ličja in lubja.

  • Dijaki si pod mikroskopom ogledajo prečni prerez lesne rastline (npr. triletno vejo lipe ali bezga). Razločijo les in skorjo ter kambij med njima. Ob opazovanju že izdelanih trajnih prečnih, radialnih in tangencialnih prerezov več vrst lesov dijaki spoznajo, da les sestavlja več tkiv z različnimi funkcijami (les je tkivni kompleks).

  • Iz zgradbenih značilnosti in usmerjenosti posameznih tkiv dijaki napovejo njihovo funkcijo: prevajanje (traheide, vodovodne cevi), opora (vlakna) in shranjevanje (aksialni parenhim in strženovi trakovi).

  • Dijaki definirajo les kot naravni kompozit: matrico (matriks) predstavlja srednja lamela. V njej so vključeni različni tipi lesnih celic. Srednja lamela predstavlja lepilni sloj, ki zleplja celice v trdno lesno tkivo.

     

    Vaja 2: Rast lesnih rastlin; letna prirastna plast, branika; rani in kasni les; določanje starosti drevesa.

    Dijaki:

  • si spet ogledajo debelni kolut rdečega bora in doba; debelitvena aktivnost kambija je sezonska (vegetacijsko ali rastno obdobje in obdobje mirovanja); enoletni prirastek debla je letna prirastna plast, ki se v prečnem prerezu imenuje branika; optična (nematerialna) meja med dvema branikama je letnica, ki je posledica barvnega kontrasta med gostejšim  kasnim lesom prejšnega leta in redkejšim ranim lesom tekočega leta;

  • iz strukture lesa sklepajo na prevladujočo funkcijo ranega lesa (prevajanje) in kasnega lesa (opora);

  • preštejejo letnice na kolutu, dodajo število let, kolikor je drevo porabilo, da je zraslo do višine koluta, in tako določijo približno starost drevesa;

  • iz različne širine branik sklepajo na spremenljive sestojne, rastiščne in podobne razmere.

  • profesor pojasni delo dendrokronologa.

     

    Povezava s 3.4.2  Les kot higroskopen, nehomogen in anizotropen material

     

    Cilj: Dijak spozna bistvene lastnosti lesa, ki vplivajo na njegovo uporabnost; higroskopnost, krčenje in nabrekanje; seznani se s pojmom ravnovesna vlažnost.

    Vaja 3: Higroskopnost; ravnovesna vlažnost

    Les je higroskopen material in vzpostavlja ravnovesje s klimo okolja, kot jo določata relativna zračna vlažnost in temperatura. Če je les bolj vlažen od ravnovesne vlažnosti, kot jo narekuje klima, bo v procesu higroskopskega uravnovešanja vlago izgubljal in se krčil, sicer jo bo sprejemal in nabrekal. Ko vzorec vzpostavi vlažnostno ravnovesje, ne sprejema niti ne oddaja vlage, pa tudi njegove dimenzije ostanejo nespremenjene.

  • Dijak pripravi preprosto napravo za merjenje »delovanje lesa« v spreminjajoči se klimi. Tanek (3 mm) odrezek tangencialne deske (s prerezom 6 cm × 3 cm) s kazalcem povežemo v skalo. Krčenje in nabrekanje lesa, ki spremlja sprejemanje in oddajanje vlage, se močno povečano zapisuje na skali.

  • Če kazalec miruje, lahko sklepamo, da je les zadobil ravnovesno vlažnost. Skalo lahko umerimo na lesno vlažnost in relativno zračno vlažnost.

  • Profesor razloži praktični pomen ravnovesne vlažnosti (vlažnost pohištva ali parketa mora biti čim bližje ravnovesni vlažnosti, kot jo narekuje prevladujoča klima v prostoru uporabe oziroma vgraditve; tako preprečimo krčenje in nabrekanje, veženje in pokanje lesa).

     

    Vaja 4: Krčenje in nabrekanje lesa; anizotropija; heterogenost

     

  • Pripravimo po 5 svežih smrekovih in bukovih usmerjenih vzorcev z dimenzijami: 1,5 cm aksialno × 5,0 cm radialno × 5,0 cm tangencialno. Določimo jim maso in jih nato previdno sušimo v laboratorijskem sušilniku 7 dni, pri čemer počasi (zlasti na začetku) stopnjujemo temperaturo do 103° C. »Absolutno« suhim vzorcem nato določimo maso in dimenzije. Profesor razloži način meritve lesne vlažnosti U (na osnovi mase abs. suhega lesa), skrčkov b (na osnovi dimenzij vlažnega lesa) in nabrekov a (na podlagi dimenzij suhega lesa).

  • Določimo a) vlažnost suhega lesa U, b) aksialni (ba ), radialni (b r), tangencialni (bt) in volumenski (bv) skrček. Skrčki so približno v razmerju l (aksialno) : 10 (radialno) : 20 (tangencialno). Med posameznimi lesnimi vrstami so specifične razlike, ki so posledica različne anatomske in kemične zgradbe.  Profesor pojasni, zakaj se črnjava krči (in nabreka) manj kot beljava.

     

       Eksperiment obrnemo!

  • Absolutno suhe vzorce potopimo za tri dni v vodo. Namočenim vzorcem nato določimo maso in dimenzije     ter spet določimo vlažnost (U), linearne nabreke (aa, ar, at) in volumenski nabrek (av). Skrček in nabrek sta usmerjeni lastnosti oziroma sta odvisne od smeri, v kateri ju merimo oziroma opazujemo (anizotropija). Vse lesne lastnosti so anizotropne. Izvor anizotropije je v anizotropni zgradbi in značilnem lupinastem priraščanju debla.

  • Dijaki opazujejo les in skušajo odgovoriti, zakaj je heterogen (sestavljajo ga različna tkiva, širina branik ter delež kasnega in ranega lesa varirajo, rastne anomalije, grče itd.).

     

    Povezava s 3.4.5 Gozd, najpogostejše drevesne vrste 

     

    Cilj: Dijak se nauči razpoznati najpomembnejše, gospodarsko pomembne domače možnostmi lesa in lesna tvoriva.

    Vaja 5: Vrste lesa in lesnih tvoriv

  • Dijaki ob pomoči profesorja spoznajo primerjalno najpomembnejše lesne vrste. Naštejejo glavne makroskopsko prepoznavne znake za posamezne vrste.

  • Dijakom pokažejo najpomembnejše lesna tvoriva. Iz njihove terminologije sklepajo na njihovo zgradbo.

     

    Povezava s 3.4.6 Raba lesa za zahtevnejše izdelke 

    Cilj: Dijak spozna zvezo med lastnostmi lesa in njihovo rabo ter zvezo med rastnimi pogoji drevesa in kakovostjo lesa. Uvidi, da lahko rastne anomalije dajo izjemno dragocene teksture.

    Vaja 6: Violina

  • Dijaki spoznajo dele violine in njihovo funkcijo ter uporabljene vrste lesov. Pokrov je grajen iz resonančne smrekovine z izjemno enakomerno in ravno rastjo brez vsakršnih napak, kot so kompresijski les, smolni žepi, grče). Branike so široke približno 1,5 mm.

  • Dijaki skušajo oceniti, v kakšnih pogojih je rastla takšna smreka (slabo rodovitna tla v kombinaciji s krajšim vegetacijskim obdobjem) in koliko je stara (vsaj 300 let). Takšno rastišče je v Sloveniji na primer na visokogorskih planotah Pokljuki in Jelovici (nad 1300 m). Dno violine izdelajo iz tradicije in dekorativnosti vselej iz visokogorske javorovine z rebrasto teksturo (javor rebraš). Dijaki skušajo ugotoviti prostorsko usmerjenost rasti (rast je vzvalovljena v tangencialni smeri).

     

    Potrebna oprema

    Zbirka lesov, zbirka trajnih ksilotomskih preparatov, mikroskopi, laboratorijski sušilnik, precizna tehtnica; možnost priprave poskusnih vzorcev v mizarski delavnici, kljunasta merila.

    Predvidena je tudi možnost obiska univerzitetnega oddelka.

     

     

    Povezava s 3.5 Naravni kamen, beton, veziva

     

    Povezava s 3.5.4 Beton

     

    Vaja 1: Določanje oblike zrn agregata (1 ura)

    Cilj: Dijak se ob neposrednem stiku z agregatom seznani z različnimi oblikami zrn in poveže dimenzije zrn z obliko ter nastankom agregata.

    Dijaki:

  • ugotavljajo na različnih vzorcih agregata obliko; z izmero dolžine, širine in debeline zrna agregata ter določitvijo ustreznega razmerja ugotavljajo, ali je zrno agregata kroglasto, podolgovato, ploščato ali kockasto;

  • dokumentirajo vajo z izdelkom v tabelarični obliki, kjer je ponazoritev 20 zrn agregata z dimenzijami, razmerjem, ugotovljeno obliko in skico zrna.

     

    Vaja 2: Določanje prostorninske mase agregata v razsutem stanju (1 ura)

    Cilj: Dijak spozna in loči prostorninsko maso različnih frakcij agregata. Znanje poveže s pojmom zbitosti in različnih vrednosti prostorninske mase v tem primeru.

  • Dijaki elaborirajo vajo z opisom laboratorijskega dela in tabelaričnimi vrednostmi o značilnostih izbranega agregata ter stehtanih masah in izračunanih prostorniskih masah. Agregat različnih granulacij (frakcije 2/4, 4/8, 8/16) stehtajo ločeno v čašah (brez zbijanja in tresenja). Nato ločeno stehtajo prazne čaše in jih odštejejo od skupne mase vzorcev. Prostornina mase se določi s formulo: `y = mr/V .

     

    Vaja 3: Granulometrijska analiza mineralnega agregata (2 uri)

    Cilj: Dijak spozna pomen ustrezne sestave agregata in je sposoben glede na izdelano krivuljo prepoznati njegovo ustreznost.

    Dijaki:

  • opravijo na mešanem vzorcu agregata sejalno analizo in izdelajo krivuljo zrnavosti; s postopnim sejanjem s kompletom sit (od premera 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0, 32.0) izdelajo granulometrijsko analizo in ugotovijo ustreznost agregata;

  • dokumentirajo vajo v obliki tabele in izrišejo na milimetrski papir krivuljo zrnavosti.

     

    Potrebna oprema:

    -          različni vzorci agregata: iz gramoznic (separacije) posamezne frakcije, drobljenec, prod, pesek ipd.;

    -          laboratorijske čaše, različni vzorci agregata, tehtnica;

    -          komplet sit, mešanica agregata, tehtnica, risalni pribor, milimetrski papir.

     

    III.           SPECIALNODIDAKTIČNA PRIPOROČILA IN MEDPREDMETNE POVEZAVE

     

    Multimedijsko prikazovanje in preverjanje, ogledi in demonstracije.

     

    IV. OBVEZNI NAČINI PREVERJANJA IN OCENJEVANJE ZNANJA

    Dijaki vodijo dnevnik z opisom vaj, demonstracij in rešenimi nalogami. Preverjanje je:

    -          ustno in

    -          pisno v vsakem ocenjevalnem obdobju (tri konference).

     

    V. LITERATURA

    1.       Bezjak, J. 1993. Preiskava materiala. Tehniška založba Slovenija, Ljubljana.

    2.       Bezjak, J. 1997. Materiali v tehniki. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana.

    3.       Callister, W. D. 1997. Material sciences and engineering – an introduction (4. izd.).

    4.       Grum, J. in D. Ferlan. 1987. Gradiva. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana.

    5.       Guy, A. G. Essentials of materials science 1976 McGraw-Hill Book Company, New York.

    6.       Gordon, J. E. 1978. Structures – or why things don´t fall dowwn. Harmondworth, Middlesex.

    7.       Illston, J. M. (izd.). 1994. Construction materials (2. izd.). E.& F. N. SPON, London.

    8.       Kolar, D. 1992. Tehnična keramika 1 in 2. MŠŠ, Ljubljana.

    9.       Kosovinc, I. 1988. Metalografija, OMM, NTF, UL; 2.1.6. PIS za Kovinarstvo in Metalurgijo, Ljubljana.

    10.   Krautov strojniški priročnik 1993. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana.

    11.   Navodnik, J. 1998. Plastik-orodjar: priročnik. Navodnik, Velenje.

    12.   Naravoslovje 1996. Zbirka Sopotnik. Prevod Concise Science Dictionary, Oxford University Press. Market House Books Ltd. 1991. Cankarjeva založba, Ljubljana.

    13.   Metalurški priročnik 1972. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana.

    14.   Spaić, S. 1996. Fizikalna metalurgija I, OMM, NTF, UL, 1996, 2.1.1; 2.1.2; 2.1.3;2.1.4; 2.1.4.1; 2.1.4.2; 2.1.7. Naravoslovotehniška fakulteta, Odd. za materiale in metalurgijo, Ljubljana.

    15.   Van Vlack, L. H. 1989. Elements of materials science and engineering (6 ed.), Addison-Wesley Publishing Company, Reading.

     

    INTERNET

    http://www.matweb.com/

    http://www.engr.sjsu.edu/WofMatE/opp.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Metals&Alloys.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/ceramics.htm 

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/polymers.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Composites.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Semiconductors.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Biomaterials.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Structure.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/FailureAnaly.htm

    http:// www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Mat´sChar.htm