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