1. Učební texty pro popularizátory vědy

Studijní opora k výukovému modulu v oblasti přírodních věd „K4/MPV10 Umíme žít bez strojů“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím: 1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky: a. popis vědeckých/badatelských aktivit (v laboratoři či terénu), b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka

Materiál vytvořil expertní tým společnosti: Vysoká škola podnikání, a. s. Michálkovická 1810/181, 710 00, Ostrava – Slezská Ostrava IČ: 25861271, Tel.: +420 595 228 111, Web: www.vsp.cz, E-mail: [email protected]. Vysoká škola podnikání, a.s. poskytuje vysokoškolské vzdělávání v akreditovaných studijních oborech programu Ekonomika a management pro bakalářské a magisterské studium už od roku 2000. Primární strategií při naplňování tohoto poslání je poskytovat vzdělávání, služby a výzkum k podpoře a rozvoji podnikavosti a podnikání prostřednictvím definovaných podnikatelských rolí, hodnotové orientace a klíčových kompetencí. Posláním školy je připravovat odborníky, kteří rozumí podnikání jako celku. Cílem VŠP je vychovávat podnikatele a manažery, kteří mohou být uplatnitelní a úspěšní v různých profesích a oborech. Studium je proto velmi přizpůsobeno praxi a požadavkům zaměstnavatelů.

Garant: PaeDr. Jiří Mezuláník CSc. Autor: doc. Ing. Peter Ponický Ph.D.

© Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava, 2015

2

OBSAH ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ............................................................................. 8 1

Úvod ............................................................................................................................................... 9

2

Stroje, historické stroje, přístroje a postupy – historie techniky .................................................. 12 2.1

Vývoj pohonů ........................................................................................................................ 14

2.2 LEONARDO DI ER PIERO DA VINCI, nazývaný LEONARDO DA VINCI (15. 4. 14522. 5. 1519)......................................................................................................................................... 18 2.3

Parní stroj .............................................................................................................................. 19

2.3.1

Vývoj zemědelské techniky ........................................................................................... 20

3

Energetické zdroje, příčina pohybu strojů a jejich součástí – dělení strojů ................................. 31

4

Stroje a jejich součásti .................................................................................................................. 35

Cíl......................................................................................................................................................... 35 4.1

Důležité součásti strojů ......................................................................................................... 36

4.1.1

Spoje .............................................................................................................................. 36

4.1.2

Hřídele (shafts)............................................................................................................... 39

4.2

Mechanizmy strojů ................................................................................................................ 44

4.2.1

Brzdové systémy (braking systems) .............................................................................. 44

4.2.2

Převody s ozubenými koly (transmission with gear wheels) ......................................... 45

4.3

Stroje ..................................................................................................................................... 47

4.3.1 Zážehové a vznětové pístové spalovací motory (petrol and diesel pistone combustion engines) 47 4.3.2

Rotační lopatkové stroje (rotary paddle machineries) .................................................. 49

4.3.3

Plynové turbíny (gas turbine) ........................................................................................ 51

SHRNUTÍ KAPITOLY ....................................................................................................................... 54 5

Bezpečnost, spolehlivost a opravitelnost strojů ............................................................................ 55

6

Éra holých strojů zanikla – kybernetické stroje............................................................................ 59

SHRNUTÍ KAPITOLY ....................................................................................................................... 65 7

Odvěká role strojů - nová role člověka ......................................................................................... 66

8

Od sdílení zkušeností k vědě (od empirie k teorii) ....................................................................... 69

SHRNUTÍ KAPITOLY ....................................................................................................................... 78 Seznam zdrojů a použitá literatura ....................................................................................................... 79 ČÁST B Pracovní aktivity pro žáky a studenty ................................................................................... 80 1

Pracovní aktivity pro studenty 1. stupně základních škol ............................................................ 82 1.1

2

Pracovní list č. 1: Jak funguje stroj? ..................................................................................... 82

Pracovní aktivity pro studenty 2. stupně základních škol ............................................................ 85 2.1

Pracovní list č. 2: Z čeho se stroj skládá? ............................................................................. 85

2.2

Pracovní list č. 3: Energetické soustrojí ................................................................................ 87 3

3

4

5

Pracovní aktivity pro studenty středních škol............................................................................... 93 3.1

Pracovní list č. 4: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic ................................................ 93

3.2

Pracovní list č. 5: EXKURZE ............................................................................................... 96

3.3

Pracovní list č. 6: Čerpadlo – strojová součást domovní/bytové výbavy.............................. 97

Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce................................................. 99 4.1

Machines, historical machines and technical devices ........................................................... 99

4.2

Stroje, historické stroje a přístroje....................................................................................... 103

Doplňující anglický text ............................................................................................................. 105 5.1

How toggle switches function ............................................................................................. 105

ČÁST C Metodická přírUčka ............................................................................................................ 108 Didaktika techniky a technologií ....................................................................................................... 109 Metodické postupy ve výuce techniky a technologií ..................................................................... 110 1. Pracovní aktivity pro studenty základních školy, gymnázií a Středních škol................................ 115 5.2

Pracovní list č. 1: Jak funguje stroj? ................................................................................... 116

5.3

Pracovní list č. 2: Z čeho se stroj skládá? ........................................................................... 116

5.4

Pracovní list č. 3: Energetické soustrojí .............................................................................. 116

5.5

Pracovní list č. 5: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic .............................................. 116

5.6

Pracovní list č. 5: EXKURZE ............................................................................................. 117

5.7

Pracovní list č. 5: ČERPADLO – strojová součást domovní/bytové výbavy ..................... 117

4

CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy Koncept udržitelného rozvoje vychází z různých definic uvedených v legislativních materiálech, ale také v odborných dokumentech. V rámci modulu budou zkoumány přístupy k udržitelnému rozvoji lišící se dle států i zdrojů, v nichž byly definovány. S udržitelným rozvojem úzce souvisí rovnováha mezi třemi oblastmi života – ekonomikou (ekonomická struktura a vztah se sociálními a environmentálními jevy, ekonomický růst, Znalosti technologická a organizační inovace, kvalita a produktivita práce, stabilita ekonomiky), sociálními aspekty (kvalita sociálního prostředí, struktura obyvatelstva, lidský rozvoj a životní standard) a životním prostředím (využívání obnovitelných zdrojů, využívání neobnovitelných zdrojů ve vztahu k vývoji obnovitelné náhrady, intenzita znečišťování).

Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními principy udržitelného Dovednosti rozvoje a práci s nimi při vyhodnocování aktivit člověka v území.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 33 hodin.

5

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ČSN

Česká státní norma

PR

Průmyslové roboty

APR

Adaptivní průmyslové roboty

KR

Kognitivní roboty

CNC

Computer Numerical Control – počítačem řízené obráběcí stroje

BSW

British Standard Whitworth – původní britská norma metriky závitů

PM

Perpetum mobile

NPM

Naturale perpetum mobile

6

Seznam symbolů a zkratek

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KLÍČOVÁ SLOVA RYCHLÝ NÁHLED V MODULU CÍL

ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA ŘEŠENÍ SHRNUTÍ KAPITOLY

7

ČÁST A SEZNÁMENÍ POPULARIZÁTORA VĚDY S TÉMATEM Spjatost rozvoje různých oborů lidské činnosti a pokrok v technice Technika má svoje místo neustále tam, kde od úsvitu dějin jsou lidské civilizace.

CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak jsou jednotlivé obory lidské činnosti vzájemně spjaté a jejich rozvoj vzájemně podmíněný. Získáte znalosti o historickém pokroku spojeném s pokrokem technickým, Znalosti ekonomickým a sociálním.

Získané vytvoří základní obraz o významu techniky a přístrojů i v oblastech, které jsou zdánlivě technice nezávislé a tvoří spíš páteř tzv. humanitních Dovednosti oborů.

KLÍČOVÁ SLOVA Archeologie, anglická revoluce, průmyslová revoluce, technika, osvícenství.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1,5 hodinu.

8

ÚVOD Možná začnu úplně netradičně, zmíním se na úvod o úplně jiném vědním oboru, který však je pro nás objevitelem života mnoha dávných generací lidí a jejich předků. Historie je nesmírně poučnou akademickou i vědeckou disciplinou, plasticky a dnes již i s mnoha artefakty znázorňuje život lidí v různých sociálních skupinách a v různých životních situacích. Z toho co již o lidstvu a jeho historii známe, je zřejmé že se v průběhu staletí víceméně neměníme. To co se v posledních asi 200 letech změnilo, je především vybavenost člověka různými nástroji, které mu umožňují akceleraci poznání ne jen o sobě samotném, ale i o Zemi a Univerzu (vesmíru) kolem nás. Toto je ta osvícenější formulace pokroku, pravda však je mnohem složitější proto, že člověk v první řadě využívá svých poznatků k ovládání jiných příslušníků svého druhu – to je ta špatná zpráva. To co je mezi tím a často motivuje zejména k technickému a technologickému pokroku, je přirozená lenost člověka, jakožto příslušníka evolucí „zplozeného“ rodu savců (zkuste se podívat po fauně Země, kolik najdete savců, kteří by neupřednostňovali pohodlí a například spánek 1 před prací, což při genetickém a mentálním vybavení je vlastně motorem rozvoje druhu, jak je vidět i z jeho schopnosti přežít). Vymýšlíme postupy a v případě člověka využíváme nástroje zvyšující efektivitu „pohodlnějšího“ přežití (například vlk loví ve smečce a uloví i veliká zvířata, nebo primáti používají klacků k tomu, aby prodloužili svůj dosah, což jim umožňuje jednoduší a rychlejší dostupnost potravin apod.) Archeologie se stala vědou, až když začala využívat systematičnosti přírodovědného bádání i technické pomůcky a přístroje zefektivňující práce objevitelů/archeologů. Obrázek má ilustrační charakter a přestavuje megalitickou stavbu našich předků (Stonehenge). Sběr informací o historických stavbách (jako Hadriánova zeď nebo Stonehenge v Británii) sahá až do sedmnáctého století. Kolem počátku osmnáctého století pak vzrůstající módní obliba antiky vedla k enormnímu zájmu o starožitnosti. William Stukeley (1687-1765), první tajemník Spolku starožitníků v Anglii, s použitím teodolitu přesně zmapoval naleziště v Stonehenge a popsal je jako produkt druidského společenství (dnes víme, že mylně). Nově se objevily starosti o uchování památek, z nichž mnohé ohrožoval nezájem a svévolné ničení (u stavebních památek na celém světě v průběhu věků, přetrvával zájem migrujících lidských společenství používat pozůstatky historických staveb jako levného a v místě dostupného stavebního materiálu na stavby nové). Sběr artefaktů začal nejprve zahrnovat primitivní předměty. Například v devadesátých letech sedmnáctého století londýnský apatykář a starožitník John Conyers nalezl podivný kousek pazourku upravený do tvaru hlavy sekery. Sběr fosilií byl původně jenom součástí zájmu o kuriozity, protože skutečná povaha fosilií jako pozůstatků po kdysi žijících tvorech byla definitivně uznána teprve v druhé

1

Mimochodem u savců je spánek velice důležitou součástí biorytmu potřebného pro regeneraci a zužitkování energetických nosičů přijatých do těla orálně – jídlem. Tedy můžeme konstatovat, že lenost nepřekračující meze zajištění biologické existence a reprodukční extenze - je evolučním produktem a doplněná o mentální schopnosti a tělesné zručnosti jednou z hlavních příčin dynamiky rozvoje a rozšíření savců jako živočišního druhu – včetně člověka.

9

polovině sedmnáctého století. Sbírání informací a materiálů, jež bychom dnes označili jako záležitosti spadající do kompetence archeologie, bylo jenom jednou složkou rozmanité činnosti, jíž se zabývali starožitníci. Studium fosilií se spolu se studiem „kamenů“ a nerostů přesunulo z historické kompetence Spolku starožitníků do pravomoci londýnské Královské společnosti. Ruku v ruce s rozšiřováním britského impéria a vzrůstem britského zahraničního obchodu, došlo k rozmachu průzkumu těchto cizích oblastí, který přinášel nejen jiné historické předměty, ale také otázky o jiných národech světa, jejich zvycích, dějinách a náboženství. Tento historický a kulturní vývoj je znám jako osvícenství. Móda znovuobjevování minulosti se stala přímo epidemií mezi králi, císaři a papeži. Když byly roku 1738 objeveny zříceniny Pompejí, neapolský král a královna s nimi zacházeli jako se svou osobní pokladnou, ve které mohou kopat, kdykoli potřebují peníze nebo sochy pro své zahrady. Různé vědní discipliny mající v názvu slovního základu spojení „ologii“, jako archeologie, paleontologie, antropologie apod. se jako samostatné a výrazné vědní obory vynořily teprve v devatenáctém století. V té době už nabyla tato studia charakter bádání a terénní výzkum na metodičnosti a profesionalitě. Účast amatérů sice pokračovala i nadále, zejména v archeologii, ale postupně je nahrazovali ve stále větší míře profesionálové z univerzit a muzeí. Náplň jejich práce se nakonec proměnila v samostatná akademická studia v odděleních nových univerzit stavěných v Anglii z červených cihel na sklonku 19. století, ale nadšení a ambice, jež objevitele ženou kupředu, jsou stejné jako u dobrodruhů, kteří se pouštěli na terru incognitu minulosti. 2 První dekády devatenáctého století byly poznamenány změnami v ekonomii, politice, kultuře a vědě, ale zejména v technice v důsledku průmyslové revoluce navazující ve svém historickém kontextu na anglickou revoluci - dobu Olivera Cromwella jako začátek cesty k demokracii a lidské svobodě (toto historické období překypuje i dalšími vynikajícími osobnostmi, jako byli René Descartes, Baruch Spinoza, Galileo Galilei, Newton, Leibnitz, Lomonosov atd.). Právě technika nabízela nové možnosti i v tzv. humanitních (či kulturních) vědách, jakými bezesporu historie a archeologie jako její zdroj artefaktů dokreslujících historii lidí, zajisté je. Obrázek 0.1 Pozlacené předměty uložené v hrobce chlapeckého krále Tutanchamona, vykopané v Údolí králů

Zdroj: fotokopie originální fotografie objevitele2

2

Palmer, D., James, N., Sparrow, G., Štěstí a sláva (Příběhy největších archeologických dobrodružství v dějinách), Fortuna Libri, 2009, ISBN 978-80-7321-48-2

10

Obecněji možno konstatovat, že v přírodě je platné to, co je obecné a ve společenských (kulturních) vědách to, co je významné. 3 Je možno konstatovat, že život jedince je možno formovat konáním jednotlivce (například rodičů, učitelů, vzorů apod.), ale dějiny se formují významnými společenskými přesuny3(z tohoto pohledu je pro kvalitu života dneška nejvýznamnější část historie od renesance a osvícenství po dnešek, tedy v zásadě nedávné dějiny – takříkajíc dějiny včerejška a dneška). Objevy a vynálezy jsou možné jen v odpovídající společenské atmosféře, proto historie je předobrazem toho kdy a za jakých okolností mohou vznikat. V jakých poměrech a s jakou mírou svobody musí společnost „oplývat“, aby člověk se schopnostmi neměnícími se za posledních několik tisíc let, byl schopen a připraven plně využít svých možností a svojí mentální kapacity ve svůj prospěch a v prospěch lidského společenství. Dnešní forma uspořádání společnosti a její až frivolní svoboda, umožňuje akceleraci technického pokroku a projevy lidského génia, bez společenských i sociálních zábran. Aby se takový společenský pohyb nezhroutil do sebe, musí lidské společenství najít rozumnou formu regulace, což snad zachrání přírodu a člověka, ale omezí jeho technickou a technologickou vybavenost, která mu má sloužit a ne zotročovat. Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace. 1. Která revoluce rozběhla nejvýznamněji technický pokrok? 2. Čím přispělo osvícenství k rozvoji oborů techniky? 3. Co je potřeba k tomu, aby vznikali objevy a vynálezy? Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské činnosti, ve kterých hrají stroje, přístroje a nástroje dominantní roli. Uveďte historické příklady kdy o technické inovaci či novém objevu rozhodovali historické souvislosti

3

Blatný, R., Napoleonská encyklopedie, Aquarius, Praha, 1995, ISBN 80-902062-0-4

11

1 STROJE, HISTORICKÉ STROJE, PŘÍSTROJE A POSTUPY – HISTORIE TECHNIKY Technika má svoje místo neustále tam, kde od úsvitu dějin jsou lidské civilizace.

CÍL Po celou dobu kdy člověk žil v tlupě, pomáhal si za pomoci různých nástrojů. Za použití nástrojů a odzkoušených postupů později sestavoval jednoduché mechanizmy a z mechanizmů jednoduché stroje. Lidé aplikovali logickou hierarchii od jednoduššího, ke složitějšímu – začali vznikat složité soustrojí, využívající přírodních sil a energií, později i energie využívající základních zákonů fyziky (mechanika, elektrodynamika, magnetizmus, vodivost apod.) Získáte znalosti o historickém vývoji technických principů, které jsou základem různých mechanizmů a strojů. Tato historie je i historií objevování Znalosti a samozřejmě i omylů hledajících lidí.

Získané znalosti vytvoří základní obraz o významu techniky, přístrojů a strojů v oblastech, které jsou základem životního standardu dnešní velice Dovednosti technicky rozvinuté společnosti.

KLÍČOVÁ SLOVA Historie techniky, vývoj pohonů, kolo, egyptský bojový vůz, kladka, kladkostroj

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 3,5 hodiny.

12

Někteří matematici a inženýři v začátcích strojové výroby tvrdili, že nástroj je vlastně jednoduchý stroj a stroj složený nástroj a nazývají jednoduché mechanické prostředky, jako je páka, nakloněná rovina, šroub, klin atd., stroji. Každý stroj se skutečně skládá z těchto jednoduchých prostředků, ať už jsou jakkoli přeměněny a sdruženy. Jiní hledají rozdíl mezi nástrojem a strojem v tom, že u nástroje je hybnou sílou člověk, u stroje síla odlišná od lidské, např. zvíře, voda, elektrická energie apod. Podle toho by byl pluh tažený voly strojem, kdežto ruční lis na těsnící kroužky by strojem nebyl, přestože jim vyrobíte stovky výrobků4. Každé vyvinuté soustrojí se skládá ze tří odlišných částí: z pohonu, převodového mechanismu a konečně z pracovního stroje s nástroji. Hnací část působí jako hnací síla celého mechanismu. Převodový mechanismus, složený z hřídelů, ozubených kol, tyčí, převodů nejrozmanitějšího druhu, reguluje pohyb, je-li to třeba, mění jeho formu, např. z přímočarého v kruhový, rozděluje a přenáší jej na pracovní stroje. Tento mechanismu má za úlohu přenos pohyb na pracovní stroj, který vyráběný předmět účelně mění. Z těchto strojů vycházela průmyslová revoluce 18. století. Elektrická energie jako mohutný, v každé fázi kontrolovatelný, regulovatelný a masově využitelný silový zdroj pohonu je hlavním předpokladem hromadné a automatizované výroby. Tím se průmysl zmocnil svého charakteristického výrobního prostředku, tedy samotného stroje což vede k tomu, že stroje vyrábějí stroje. Stroj je pracovním prostředkem s takovou formou existence, která plně nahrazuje lidské síly silami přírodními a nahradí zručnosti nabyté zkušeností vědomým využitím přírodovědy (fyziky, chemie apod.). Samotná povaha tohoto pracovního prostředku (stroje) generuje kooperativní charakter pracovního procesu (výroby), což se stává technickou a technologickou nutností. Nejstarší období, ve kterých můžeme hovořit o prvních „vědeckých“ poznatcích dělíme na kamennou dobu, bronzovou a železní dobu. V dnešním Turecku se našli důkazy o používání mědi z roku 6200 před n. l., v Austrálii měli domorodci ještě donedávna dobu kamennou. První lidské nástroje se vyráběly z kamene. Druhou nejvýznamnější surovinou byli zvířecí kůže, až do starověku a vynálezu krosen a tkaného plátna. První lodě byli čluny vydlabané do kmenů stromů (nejdůležitější doprava do vybudování prvních udržovaných cest ve starověku). Prvním taveným kovem byla měď, později ve slitině s cínem = bronz. Prvními klíčovými lidskými civilizacemi byli čínská a egyptská. V Americe se našli šípy z roku 9000 př. n. l. V tom čase se v Mezopotámii začali lidé věnovat zemědělství. Tato část světa dala světu kolo – zřejmě kolem roku 3000 př. n. l. V Indii již kolem roku 2500 př. n. l. lidé používali k výstavbě cihly. Asi 1500 roků př. n. l., lidé starověké Číny používali bronz a naučili se tkát hedvábí. Železo začali používat jako prví Chetiti, zřejmě kolem roku 1500 př. n. l., později se tyto znalosti dostali do Afriky, zejména do Egypta a dnešní Nigérie, (tzv. nocká kultura). Obrázek 1.1 Anglický navigační kompas z roku 1766

Zdroj: National Maritime Museum London

13

Obrázek 1.2 Velká čínská zeď

V Číně byl vynalezen papír, střelní prach, seizmoskop, objev magnetické jehly a zhotovení kompasu je místně přísluho také Číně. Pravěkým Číňanům patří zásluha o rozvoj medicíny, například akupunktura na stimulování nervů. Ve starověku se mohutně rozšířilo pěstování nových hospodářských rostlin a s tím spjaté vodohospodářství, Římany poprvé praktikované použití betonu, jejich konstrukce stavebních jeřábů apod. Arabi vynašli astroláb, kreslili přesné mapy hvězdní oblohy používané při navigaci. Arabští konstruktéři používali při užití energie tekoucí vody, ozubená kola a pohon za pomoci zvířat.

1.1 Vývoj pohonů Prvními pohony byli „biologické spalovače energie“ - podobně jako v celé živé přírodě – tedy SVALY v našem případě lidské svaly. Tento vysoko operativní a spolehlivý pohon na mnoha místech Země přetrvává dodnes. Na začátek si všimněme přenos zatížení přes plece člověka (pro jednotlivá břemena i použití starověkých nosidel -Obrázek 1.3 Obrázek 1.3 Nosidla z počátku 17. století Obrázek 1.4 a) typický postoj při nošení břemene přes plece, b) v Římské říši oblíbená nosítka patricijů

a)

b)

Zdroj:Vasilko, K., História a vývoj techniky, Prešov 2014, ISBN 978-80-553-0875-3

Zdroj: Derry, T. K., Williams, T. I., A short History of Technology, Oxford University Přes, New York, 1961, 782 s.

Později, řekněme v Evropě 17. století se používají nosidla s rukojetí a řemenem přes ramena, kde je přenášená osoba v sedící poloze (Obrázek 1.3). Paradoxně pokrokovější a mnohem dřívější je přenos síly svalů a vznik dopředního pohybu za pomoci lyží, Obrázek 1.5 znázorňuje Mezolitického lyžaře (možná až 6000 let před naším letopočtem) nalezeného v Norsku. Obrázek 1.5 vlevo - člověk na lyžích, rytina z Norska, dole - skalní rytina z Karélie, lov zvěře na lyžích z doby kamenné (velice zajímavé je znázornění stop lovců i zvěře).

14

Nejstarší kostěný hrot šípu dlouhý asi 5 cm z období cca 60 000 roků př. n. l., našli v roce 2008 jihoafričtí badatelé Backwellová a Wadley v jeskyni Sibudu (60 km od Durbanu v Jižní Africe). Obrázek 1.6 Babylónský reliéf znázorňující tažné zvíře se sáněmi

Vynález luku přinesl do života pravěkých lidí revoluční změnu. Dostřel šípu byl podstatně větší jako vzdálenost, na kterou mohl člověk hodit těžký oštěp. Tato účinnější zbraň zefektivnila nejen lov, ale i vedení válek. Ve 4. tisíciletí před n. l. je známé první využití síly zvířat. Je to významný přelom v dějinách techniky. Zkrocené zvířata, mají podstatně větší sílu jako člověk. První postroje pro ovládání a nošení byli z upletených lan, které byli upevněné na rohy zvířat, pro zvířata byl tento způsob nesmírně namáhavý (Obrázek 1.6). Již kolem r. 1950 před n. l. se těžké náklady v Egyptě a Asýrii, přepravovali na sáních (nejstarším dokumentem dřevěných saní, kde je vidět přepravu sochy zobrazuje převoz sochy vážící asi 60 tun, sáně tahalo 182 mužů). Aby se dřevěné skluznice lépe klouzal, polévala se kluzní dráha vodou čímž se vytvářelo bláto, což snižovalo kontaktní tření. Asýrčani podkládali pod skluznice dřeva (nejlépe kulatinu, která měla změnit kluzní tření na valivé). Severo američtí prérijní indiáni, používali sáně ještě v 19. století (vlečení, udělané překřížením větví, které mají malou třecí plochou se zemí). Malá plocha styku větve se zemí vedla k minimalizaci třecí síly, proto přeprava mohla být rychlejší a lehčí. V severských oblastech se jako tažná zvířata v podstatě dodnes používají severští psy. Ve 4. tisíciletí před n. l. se začíná používat snad největší objev lidstva – kolo, které vlastně nemá alternativu v živé přírodě (brouk skarabeus koulí kuličku, pavouk má na zadečku kuličku s potomstvem, hmyz se pohybuje pomoci pákových nohou). První vozy s koly se začali nejdříve používat u Sumerů (někdy se uvádí i Indie) – přesné datování je velmi nejisté. V Evropě je kolo známé asi od 3. tisíciletí před n. l. Kolo se zřejmě vyvinulo po náhodném odstřižení kmene stromu, který byl podložen pod těžké přepravované břemeno. Na Obrázek 1.7 jsou znázorněné vývojové stádia plného kola od jeho objevu. Obrázek 1.7 Předpokládaná vývojová stádia plného kola

Zdroj: Das große Buch den Verkehr, Prag: ARTIA, 1989, 230 s.

15

Na malé vzdálenosti se začali používat kola v oblasti řeky Indus a téměř současně u Sumerů a v Jižní Mezopotámii kolové bojové vozy. Kola byla nejprve v podobě plných kotoučů. Kolem r. 2000 před n. l. byli již rychlé nápravové bojové vozy vybavené špicemi, takové kolo bylo podstatně lehčí a do jisté míry i pružné. Bronzové špice vycházeli hvězdicovitě z hlavy kola a byli sevřené dřevěným ráhnem, které bylo nejprve vyrobeno z jednoho kusu dřeva a později skládané z více separátních oblouků, spojených železnou obručí. Voz tak dosahoval vyšší rychlost při útoku i úprku z bojiště (Obrázek 1.8). Obrázek 1.8 Staroasyřský bojový vůz - alabastrový reliéf z Aššurbanipalova paláce v Ninive (kolem roku 650 před n. l.). Podobná konstrukce je známá i ze starého Egypta.

Kolem roku 1510 před n. l. „vstoupilo“ kolo, jako část mechanizmu do mechaniky. Důležitou mechanickou aplikací bylo použití lana s kladkou. Za první stroj, poháněn lidskou silou možno na základě vykopávek považovat velkorozměrné kolo, které člověk uváděl do chodu šlapáním po jeho vnějším okraji (rumpálové čerpadlo). Síla se přenáší na lano, ovinuté o rumpál s podstatně menším průměrem jako má kolo. Kola tohoto typu se používali zejména na čerpání vody ze studní (Obrázek 1.9. Obrázek 1.9 Rekonstrukce starého šlapacího kola z Mezopotámie. Po obvodě jsou kolíčky, po kterých šlapal člověk (ilustrační foto)

Zdroj: Paturi, F. R., Kronika techniky, Bratislava, Fortuna print,1993, 654 s.

Okolo r. 700 před n. l. řečtí mechanici objevili techniku znásobení síly za pomoci kladkostroje (Obrázek 1.11). Archimédes sestrojil kladkostroj na jiném principu v roku 210 před n. l. (Obrázek 1.10) a podobný sestavil i Leonardo da Vinci (cca 500 našeho letopočtu). 16

Obrázek 1.10 Archimédův kladkostroj z roku 210 před n. l.

Obrázek 1.11 Starověký kladkostroj

Vývoj pohonů významně ovlivnil vynález ozubeného kola v 5. století před naším letopočtem. V r. 428÷347 před n. l. vymyslel Achitas z Tarentu šroub, který se později stal základním spojovacím prvkem většiny strojů a zařízení. Prvním mezníkem ve využití přírodní síly (vítr) je doprava po řekách (a možná i po moři) v Mezopotámii. V 5. tisíciletí před n. l. se stavějí první plachetnice, lodě i plachty jsou z papyru. Byla prakticky nepotopitelná, protože papyrusové stébla jsou dutá. Bohužel v ničení a zabíjení je lidská vynalézavost jakoby bez hranic. První propracovanější zbraně se objevují již ve starověku. O jejich rozvoj se zasloužili zejména Řekové a Římané. Jejich zbraňové systémy umí vystřelovat oštěpy na velkou vzdálenost (cca 700 m). Metají smrtící šípy, boří kamenné opevnění a zapalují lodě nepřátel. První katapult (řecky katapeltés) byl vyroben v sicilských Syrakúzách (Dionýzius 410÷367 před n. l.). Prototyp byl odzkoušen při obléhání města Motyi, asi v roce 397 před n. l. Běžné typy těchto zbraní se nazývali balista (oštěpomet) a katapulta (kamenomet). Dalším smrtícím nástrojem starověku byli onagery (v překladu = divoké osly). Nevrhají „náboje“ pomoci tětivy, ale za pomoci vertikálně umístěného dlouhého ramena a náboj je uložený do lžíce na konci ramene a následně vymrštěn do vzduchu. Onagery umožňovali metat velmi těžká břemena, proto se užívali zejména proti hradbám. Po výstřelu se rameno stáhne pomoci navijáku do dolní polohy a stroj je znova připraven na výstřel. Na zapálení dřevěných lodí používali starověcí bojovníci zápalnou směs, nazývanou jako “řecký oheň“ (nebo tekutý oheň). Obrázek 1.12 Herónův automatický otvírač dveří chrámu z roku 110 n. l.

Hořlavina se skládala ze smoly, síry, petroleje a nehašeného vápna. Později ji používali i v Byzantské říši (kolem roku 7 našeho letopočtu), když syrské město Heliopilia napadli Arabové (678 n. l.). Starověké poznání bylo uchováváno v Alexandrijské knihovně (vybudovaná Alexandrem Makedonským), která obsahovala víc než 250 000 knih. Její čtenářské služby využívali myslitelé té doby (například Archimédes či Herón). Jedním z četných správců této

17

Obrázek 1.13 Pohon bucharu vodním kolem

nejznámější historické knihovny byl Eratosténes, který mimo jiné vypočítal obvod naši Země. Alexandrijská knihovna padla za oběť požáru a žhářství prvních křesťanů, co zabrzdilo rozvoj techniky na mnoho století. V Alexandrii působil i starověký badatel a spisovatel FILÓN z Byzantiónu. Zaobíral se mechanikou vody. Popsal mnohé vynálezy té doby (vodní násosku, princip spojených nádob, termoskop - předchůdce teploměru, studnu s přerušovaným odtokem vody, tlakové čerpadlo, vodní kohoutek s více vývody, sirénu poháněnou vodním kolem s vrchním přívodem vody, pily poháněné vodnými koly). Sám objevil princip křížového kloubu, který po víc jak 1700 letech dostal vlastně neprávem název KARDAN (podle jeho znovuobjavitele G. Kardana). Jedná se o spojení dvou mimoběžných tyčí, které právě pomoci tohoto kloubu přenášejí krouticí moment. Nejvýznamnějším „technikem vynálezcem“ prvních století našeho letopočtu byl řek HERÓN z Alexandrie (10 ÷ 70 n. l.), přezývaný Méchanikos. Mohli bychom jej považovat za jakéhosi „kmotra“ robotiky. Vynašel placený automat na rituální očistu, který stál před vchodem do chrámu (po vhození mince do štěrbiny, mince dopadla do misky na konci vahadla, druhý konec vahadla vedl k ventilu, který se při dopadu mince otevřel a vystříknul vodu, kterou si člověk omyl tváře a ruce, a mohl očištěn vstoupit do svatostánku). Zřejmě v roce 1450 byl objeven pohon hodin pomocí pera, někdy se tento vynález připisuje Heinleinovi (1480-1542) pravděpodobně proto, že v tom období se používali mechanické hodiny, poháněné závažím, upevněným na provaze na válci.

1.2 LEONARDO DI ER PIERO DA VINCI, nazývaný LEONARDO DA VINCI (15. 4. 1452- 2. 5. 1519) Mimo to, že Leonardo je autorem snad nejznámějšího člověkem namalovaného obrazu (Mona Lisa umístěná v galerii v Louvru), řešil různé technické problémy velmi originálním způsobem, mezi tyto originální řešení patří i pohony. Je údajným vynálezcem kuželového šroubu, válečkového ložiska, článkového řetězu, lanového a řemenového převodu, a univerzálního kloubu. Leonardo upravil konstrukci hodin tak, že lano spojené se závažím přechází ještě přes kužel, čímž zmenšuje jeho poloměr a zatěžující síla zůstává konstantní, tak vylepšil mechanizmus hodin poháněných závažím (Obrázek 1.14). Obrázek 1.14 Leonardova úprava mechanických hodin. Originální kresba z r. 1470

18

Leonardo vyrobil mechanického lva a předvedl jej francouzskému králi. Tato hračka chodí, postaví se na zadní a podává květy (Obrázek 1.15) - je ovládána pružinou. Obrázek 1.15 Leonardův mechanický lev a jeho mechanizmus (rekonstrukce).

Obrázek 1.16 Leonardova kresba krbu s automatickým otáčením pečícího se masa.

Mezi Leonardovými návrhy vzbuzujícími zájem je i lodní pohon pomoci šroubu, dnes nazývaného lodního šroubu. Zajímavostí je automatický mechanizmus na otáčení masa v krbu při pečení, založený na využití horkého vzduchu stoupajícího z ohniště (Obrázek 1.16).

1.3 Parní stroj V roce 1705 Angličané T. Newcomen (povoláním báňský kovář) a J. Cawley na základě předcházejících Papinových zkušeností, sestrojili první prakticky použitelný parní stroj, tzv. VAHADLOVÝ STROJ. Byl to atmosférický stroj, na kterém se „vakuum“ pod pístem a podtlak se vytváří vstříknutím studené vody do válce (Papin chladil válec zvenčí). Základní princip stroje v nezměněné podobě přetrval jeden a půl století. Vahadlo a soustava pák přenášely sílu z pracovního válce na čerpadlo v banské šachtě. Stroje tohoto typu pracovali v mnoha dolech (například v roku 1722 postavil anglický mechanik Isaac Potter ve Slovenské Nové Bani, první atmosférický parní stroj na evropském kontinentě, který poháněl 3 pojistná čerpadla a přečerpával 220 m3 vody - horníci jej nazývali „ohňový stroj“ - Obrázek 1.17Obrázek 0.1) Obrázek 1.17 V roce 1690 navrhl Denis Papin (1647-1714) první parní válec (již v roce 1681 byl Papinem navržen první atmosférický parní stroj - Papinův hrnec).

.

19

Obrázek 1.18 Princip práce parního stroje (stav po vstříknutí vody do válce a kondenzaci páry)

Rychle postupující průmyslová revoluce (zejména 18. století), potřebovala všude použitelný, spolehlivý a rychlý zdroj energie (na rozdíl od zdrojů vodních, věterných, nebo únavou zmáhaných zvířat). Parní stroj, byl v té době takovým řešením 4 . Bez přímé praktické použitelnosti navrhl Isaac Newton již v 17. století svůj “parovůz”. James Watt (1736 ÷ 1819) skotský vynálezce, asistent mechaniky na univerzitě v Glasgow a člen královské Royal Society, vyvinul jednočinný vahadlový parní stroj s kondenzátorem (vyrobila Boultonova továrna pro doly a hutě). V letech 1781 - 84 zkonstruoval Watt dvojčinný parní stroj s převodem na rotační pohyb, použil i setrvačník a od roku 1785 i odstředivý regulátor na přívodu páry. V roku 1814 anglický banský topič, Georg Stevenson (1781 ÷ 1848), vynašel první na svoji dobu velmi výkonnou lokomotivu (Raketa dosáhla rychlosti 48 kmh-1 ÷ 61kmh-1). Utáhla až 30 tun nákladu na trati Liverpool - Manchester. Obrázek 1.19 Parní buchar Fritz, vyvinutý Alfrédem Kruppem, obdivovaný jako „technický zázrak světa“.

1.3.1 Vývoj zemědelské techniky V období 12 ÷ 10 000 před n. l. se začali některé skupiny lidí specializovat na určitý druh zvěře žijících ve stádech v blízkosti jejich sídel (soby, gazely, kozy). Jejich vztah se v dalším období vyvíjel a lidé často odchytávali zvěř a postupně ji domestikovali. Nejprve se to zdařilo u koz a ovcí. Tak se postupně vytvářeli podmínky pro vznik pasteveckého - kočovného způsobu života. Rozšiřuje se pravidelné opakování žní divoce rostoucích obilovin, zejména jednozrnného ječmene a pšenice, nejvíce v zemích přední Asie. Na žně divoce rostoucích obilovin si zhotovovali kosáky s kamennými čepelemi. V období 9 000 ÷ 8 000 před n. l. vznikali v určitých oblastech základy zemědělství (například v Přední Asii). Od počátků systematického obrábění půdy, člověk „nutí přírodu“, aby produkovala víc 4

Přírodní vědy, technika a lékařství, In. Dějiny věd a techniky č. 5, ročník 33, Praha 2000

20

plodů jako v přirozených podmínkách (dnes to zdůvodňuje potřebou nasytit miliardy lidí – navzdory tomu jsou mnozí hladoví a ničí se zemědělské produkty kvůli tržní nadprodukci). Zemědělství umožňuje vytvářet dlouhodobé zásoby, což je začátkem sídelního způsobu života (vesnice a města). V 7. tisíciletí před n. l. dochází v Přední Asii k důležité změně dělby práce, skupina obyvatel se specializuje na řemeslnou práci, výrobu nástrojů a užitkových předmětů – toto přerozdělení práce má epochální význam pro vývoj techniky i výroby, pro vznik měst a prvních státních útvarů. Rozhraní 6. ÷ 5. tisíciletí před n. l. je význačné přechodem zemědělců z výše položených území Íránské vysočiny do údolí velkých řek Eufratu a Tigridu v Mezopotámii, a později do údolí Nilu a Indu, kde využívají nánosy bahna zúrodňovanou půdu. Postupně se rozšiřují i člověkem stavěné zavodňovací systémy polí. Podstatně se tím zvyšovali výnosy, skýtá to možnost využívání původně „neplodné“ půdy a vytvářejí se podmínky pro vznik prvních civilizací, jak je chápeme dnes. Ve 4. tisíciletí před n. l. spolu s používáním vozů a postrojů tažných zvířat, lidé zřejmě začali zvířata využívat i pro obdělávání půdy a používali k tomu primitivní pluhy. Původně pluh tahali lidé a při tom se zřejmě naučili techniku orby (Obrázek 1.20). Obrázek 1.20 Egyptská rekultivace půdy z hrobky v Tébach, 1420 před n. l. (nad tím Řecký pluh a dřevěné oradlo tažené lidmi.) – ilustrační obrázky

Je dokázáno, že kolem roku 2940 před n. l. se u Sumerů v Mezopotámii na kypření půdy ale i na zahrabávání osiva do půdy používá dřevěné oradlo. Sumerský pluh se skládal z tažné tyče, která byla na jednom konci upevněná řemeny o rohy dvou krav, a na druhém konci byl pluh, který byl tvořen pevnou tyčí, která nesla zašpičatěný dřevěný hák - oradlo. Těžší oradla sloužili na hlubší rozrývání půdy. Pomoci lehčích pluhů, tehdejší rolníci přikrývali půdou rozeseté osivo. Ve 2. století před n. l. se objevují těžké pluhy, které půdu ne jen rozrývají, ale i obracejí. Římský spisovatel Marcus Terentius Varro (116 ÷ 27 před n. l.) uvádí ve svém spisu o zemědělství neobvyklou charakteristiku nářadí, které dělí na tři typy: - hovořící (otroci), - polo-hovořící (domácí zvířata), - němé (např. vallus – nájemný česač klasů).

21

V 1. století n. l. začali Galové na žně používat speciální nožový vůz, který měl na přední straně jakési železné zuby, které oddělovali klasy od stébel a klasy se shromažďovali v zásobníku (dřevěná bedna). V průběhu ranního středověku se na tento stroj zapomnělo. Ve 4. až 5. století vzniká technologie výroby cukru z třtinové šťávy (postupně se pěstování a zpracování třtiny dostalo do Persie a Číny a za pomoci Arabů do Španělska, za křižáckých válek na Sicílii a do jižní Itálie. Od 6. století se začali používat na obdělávání půdy i brány a další nářadí jako kosa a cepy. Během 7. století v Číně a později i v Persii pracují věterné mlýny (využití větru znali i Římané, ale nenašli pro ně uplatnění). V 9. století arabové destilují alkohol, do Evropy se tato technologie dostala až ve 13. století. V 10. století pronikl do Evropy chmel a technologie výroby piva. 17. Století se nazývá i stoletím agrární revoluce v Evropě (především v západní), úhor nahrazuje pěstování krmných plodin pro domácí zvířata (louky a chov dobytka). Obrázek 1.21 Kresba secího mechanizmu J. Tulla

V roce 1782 Jethro Tull představil veřejnosti ve své knize, secí stroj (Obrázek 1.21). Později byl úspěšně adaptovaný na setí menších i větších semen a též na rozhazování hnojiv, jeho používáním začala mechanizace zemědělství, i když jeho používání se rozšiřovalo velmi pomalu. Zdroj: Derry, T. K., Williams, T. I., A short History of Technology, Oxford University Pres. New York, 1961, 782 s.

Navzdory tomu, že při žních se spotřebuje nejvíc pracovních sil je překvapující, že vývoj žacích strojů stagnoval. Skotský přesbiterián Patrick Bell, vyhrál v roce 1826 cenu zemědělské společnosti zajímavým návrhem stroje, který měl vepředu nožnice a musel být tlačen koňmi (Obrázek 1.22). Toto řešení však bolo až příliš nebezpečné, ale vyráběl se až do poloviny 19. století. Mezitím roku 1833 Američan O. Hussey vyvinul omnoho praktičtější stroj, která byla koňmo tažený. Vyšší spolehlivost stroji zajistila patentovaná vylepšení C. Mc Cormicka z roku 1834 a stroj se začal vyrábět v Chicagu roku 1847. Obrázek 1.22 Mc Cormickova kosačka 9

22

Krátce po roku 1780, vyvinul Skot Andrew Meikle, novou mlátičku. Starší konstrukce se pokoušeli mechanicky napodobit cepy, jeho mechanizmus se skládal ze dvou vtahovacích válců a jednoho mlátícího bubnu vevnitř mlátícího koše. Tento systém byl úspěšný. V procesu oddělování zrn od plev dlouho přetrvávala ruční práce. Až roku 1784 Meikle vyvinul stroj, ve kterém se obilí dostávalo mezi dva válce a plevy se vlastně vymleli. Tento typ stroje se rychle rozšířil ve Skotsku a na severu Anglie. Nejprve byl poháněn koňmi, později parním strojem. V Českých zemích v roku 1784, českobudějovický měšťan a kovář J. Wunderlich, sestrojil secí stroj, který se skládal z výsevní skříně, válečkového výsevního mechanizmu, sběrného koryta, semenovodů a radliček. Stroj se ještě v té době a tehdejších podmínkách neuplatnil. Tento princip však v podstatě přetrval dodneška, na obr. 23 je novější secí stroj. Obrázek 1.23 Řádkovací secí stroj k vidění v zrezivělém stavu i dnes na některých selských dvorech

Obrázek 1.24 Secí stroj od kováře Wunderlicha

Současný řádkovací secí stroj seje v řádcích do stejné hloubky. Výsevní skříň má vevnitř čechradlo, které podporuje nepřerušované padávání semen k otvorům na dně zásobní skříně a zrno pak padá k vysívacímu zařízení. Stroj obsahuje i pouzdra s otáčejícími se válečky (na předcházejícím malém obrázku vlevo označené jako – S), které vyvádějí semena do trubek. Na konci výsevních trubek jsou bodce s litinovými špicemi, které se vrývají do půdy a vytvářejí výsevní drážky. Válečky jsou poháněny převodovým mechanizmem od kol. Změnou rychlosti jejich otáčení se reguluje setí.

23

Obrázek 1.25 Pohon mlátičky parním strojem z roku 1840

V roce 1921 Mannheimská firma Heinrich Lanz začala na trhu zemědělských strojů nabízet první traktor poháněný spalovacím motorem na naftu (tzv. Bulldog) 5 . Jednoválcový spalovací motor traktoru měl výkon 11 kW při 500 obrátkách za minutu (Obrázek 1.26). Na kolech měl drapáky, které se při jízdě na cestě skládaly. Traktor se používal celá desetiletí (i v Čechách). Lomené uložení hřídele a čtyřkolový pohon technicky předstihli svoji dobu. Firma vyrobila jen 100 kusů těchto traktorů (protože šlo o jednoválec, na překonání mrtvé polohy byl použit setrvačník). Tento traktor začal éru pohonů strojů spalovacím motorem v zemědělství, která přetrvává dodneška. Obrázek 1.26 Traktor Bulldog fy Lanz

Zdroj: Bonnet, H., Traction Engines, Shore Publications, London, 1994, 32 s.

5

Bonnet, H., Traction Engines, Shore Publications, London, 1994, 32 s.

24

Perpetuum mobile - marné snahy o „VĚČNÝ MOTOR“ (Seneca – „Relustante natura irritus labor est“ – marná práce, když se příroda staví proti) Historie strojů, pracujících bez dodávky energie si zasluhuje jistou pozornost. Taková řešení vznikala často v období renesance. Obrázek 1.27 Princip Archimédova šroubu používaného na čerpání vody (287 ÷ 212 př. n. l.)

Zařízení na obrázku 26 je sestaveno z ploché šroubovice vevnitř dutého válce. Při rotaci válce, voda postupně stoupá nahoru. Používá se na čerpání vody z lodí, nebo na zavlažování polí a zahrad - vynález popsán Archimédem (je možné, že řecký vynálezce si návod na jeho výrobu přivezl z Egypta). Princip Archimédovy spirály byl často zneužívaný na sestrojení věčně pracujícího stroje „perpetuum mobile“.

Obrázek 1.28 Představa o vysutých zahradách Semiramidiných v Babylonu (ilustrační obrázek) Ve starověku a středověku byl rozšířen názor, že tzv. Semiramidiny visuté záhrady (

Obrázek 1.28) postavené na příkaz babylonského krále Nabukadnesara II. (vládl v letech 605 ÷ 562 před n. l.) v mezopotamském Babylonu, byli zavlažované z vod Eufratu systémem Archimédových čerpadel, a tak vznikl jeden ze sedmi antických divů světa - podle řeckého historika Strabóna (64 ÷ 24 před n. l.). Stephane Dalleyová, archeologička z Univerzity v Oxfordu však tvrdí, že vysuté záhrady nebyli v Babylonu, ale v asyrském Ninive a jejich stavitelem byl král Senacherib. Již historicky dlouho byl znám princip transportu vody a v rozličných obdobích vzniklo víc řešení, založených na principu rotujícího válce pohánějícího vodní kolo. Jenom někteří však pochopili, že to není možné bez pohonu, jedním z nich byl i Leonardo Da Vinci. V jeho sešitech se našlo schéma hydraulického perpetuum mobile (Obrázek 1.29). Ve svém díle „Codex Atlanticus“ o tom psal v letech 1493 ÷ 14956. Obrázek 1.29 Originální Leonardova kresba hydraulického PM.

LEONARDO si uvědomil, že takové zařízení nemůže fungovat. Vodu, která nedisponuje rozdílem hladin, pojmenoval jako „aqua morta“ - mrtvá voda. Pochopil, že padající voda může „vynést“ jen to samé množství vody a nemůže vykonávat doplňkovou práci (z důvodu ztrát třením). Udělal závěr, že „do pohybu nemožno uvést mlýn za pomoci mrtvé vody“. Tato myšlenka o nemožnosti získání energie

6

Nardini, B., Leonardo da Vinci, Tatran Pratislava, 1990, s. 199

25

z ničeho, byla později rozpracována R. Descartem a vedla k definici zákonu o zachování energie. Do té doby, mnozí rádoby „vynálezci“ stihli vypracovat různé návrhy hydraulických PM (perpetuum mobile). Obrázek 1.30 Třístupňové kaskádové PM s jediným šroubovým čerpadlem.

V roku 1705 Johanes Ernst Elias (používal pseudonym Orffyreus), sestrojil dvě konstrukce perpetuum mobile. Charakteristickým znakem prvního (Obrázek 1.30) byli dvě vertikální kola, která se stále otáčejí a mohou na laně zdvíhat až 50 kg (byl to podvod, protože stroj fungoval za pomoci manuálního pohonu z vedlejší místnosti). Druhé PM mělo čerpat vodu a bylo poháněno stejným způsobem.

Obrázek 1.31 Orffyerovo perpetuum mobile (ilustrační obrázek)

26

I další „věčné motory“ „pracovali“ na tomto principu. Z mnoha uveďme několik typických. WILKINS chtěl problémy předešlých neúspěšných návrhů vyřešit tím, že voda bude výškové rozdíly překonávat postupně (Obrázek 1.31). Nakonec po mnoha pokusech napsal stručně a výstižně: „Došel jsem k závěru, že toto zařízení není schopno funkce“. Jako vědec dal již v 17. století důstojný příklad, jak je možno přiznat svůj omyl. Po neúspěchu vodních PM, začali autoři místo vody využívat kovové koule. Jedním z příkladů použití koulí, které obíhají, při tom pohánějí velké kolo a dopravují se nahoru ve válci Archimédovým šroubem.

Obrázek 1.32 Hydraulické PM Stanislava Solského z Krakova z r. 1660

Z dalších hydraulických PM, si zaslouží pozornost stroj polského jezuitu Stanislava Solského, který na uvedení pracovního kola do chodu Zdroj:Technica curiosa od jezuitského pátra Carpara použil vědro s vodou podle. Horní 1664). čerpadlo naplňovalo vědro s vodou a to zatažené klesalo dolů - pohánělo kolo a pak se odlehčené mělo zvednout zpět.

Schozza - Würzburg

Důležitou roli při dalších pokusech měli spojené nádoby. Ještě z antických časů byl znám princip přečerpávání vody z vyšší úrovně na nižší, pomoci trubek nebo hadic podle Obrázek 1.33. Obrázek 1.33 Princip přečerpávání kapalin z vyšší úrovně hladiny na nižší

Princip funkce spočívá v tom, že v pravé části nádoby je víc kapaliny o výšku H a tato by měla tahat kapalinu z levé části trubek nahoru. Je zřejmé, že kapalina poteče samospádem z horní úrovně na dolní. V roku 1600 vznikl paradoxní požadavek u městského architekta v Padově, Victoria Zonku, jak by se tento princip dal využít v opačném směru. Nápad spočíval v tom, že pokud uděláme levou část trubky hrubší (Obrázek 1.33), převáží větší objem vody v levé, kratší trubce na pravou stranu a voda poteče nahoru. Obrázek 1.34 Použití trubek s rozdílným průměrem

Podle zákonitostí hydrauliky však, směr pohybu kapaliny závisí jen na výšce sloupce a ne na průměru trubky (nebo objemu kapaliny). Toto pravidlo bylo Blaisem Pascalem (1623÷1662) rozpracováno, ale mnohými nebylo pochopeno ani později. Samo-sebou, hladina kapaliny v tenčí trubce zůstala na stejné úrovni jako ve větší (typické pro všechny spojité nádoby)

27

Uvedeme ještě jeden příklad PM, předložený známým matematikem Johannem Bernoulim (1667÷1748). Je založen na principu znázorněném na Obrázek 1.35. Obrázek 1.35 Osmotický PM Johanna BERNOULIHO (osmóza je prosakování propustnou bariérou)

Ve větší nádobě je vložena trubka, která je ve spodní části uzavřená organickou membránou. Membrána má tu vlastnost, že přepouští vodu, ale není propustná pro sůl, nebo cukr. Když do trubky dáme roztok soli a do laboratorní banky čistou vodu, voda bude prosakovat přes membránu a tak měnit koncentraci solného roztoku do té doby, pokud tlak na membránu nebude rovný osmotickému tlaku. Tento tlak závisí na koncentraci roztoku a brání dalšímu pronikání vody do trubky, ve které se stabilizuje hladina ve výšce H. Na tomto principu probíhá klíčení semen rostlin ve vodě - vedení vody v rostlinách. Bernulli předpokládal, že na tomto principu by bylo možné nepřetržitě čerpat vodu přes trubky nahoru. Na tomto poznání, zpracoval svou teorii proměny slané mořské vody na vodu pitnou. Podle jeho názoru, prosakování vrstvou zeminy zachytí soli z mořské vody a ta se změní na „sladkou“ a stéká do moře řekami. Taková cirkulace vody by představovala přírodní perpetuum mobile naturale – PMN a proto podle něj je možno sestrojit i dokonalé laboratorní PM. Bernulliho omyl je v tom, že tento proces by měl probíhat opačně, tedy sladká voda by měla prosakovat do mořské, ne naopak. Mořská voda, jak je známo se odpařuje a padá ve formě deště jako „voda sladká“. Že osmotický tlak není možno využít na pohyb vody v hydraulickém PM, je možno lehce dokázat. Udělejme pokus, jak jej navrhnul Bernulli, ale uřežme část trubky, jak to znázorňuje Obrázek 1.36. Obrázek 1.36 Důkazový pokus Bernulliho experimentu.

Voda bude skutečně vytékat z trubky na nižší hladinu. Zdá se, že cíle bylo dosaženo. Vydržte ještě chviličku a tok kapaliny ustane. Vysvětlení je jednoduché. Teče roztok soli, ne čistá voda. Tím stoupla koncentrace roztoku v kádince a po vyrovnání koncentrací v trubce a laboratorní kádince se celý proces zastaví a solní roztok se stane stejně mrtvou vodou, jak o tom psal Leonardo z Vinci. Na základě tohoto principu se v současnosti uvažuje o výstavbě osmotických elektráren. První takové zkušební zařízení stojí v norském fjordu u Osla. Zatím vykazuje jen minimální výkon. V potrubí oddělují osmotické membrány mořskou vodu od sladké. Molekuly vody s větším obsahem solí procházejí přes membránu do vody s nižším obsahem solí, do té doby, než se koncentrace roztoků na obou stranách membrány nevyrovná. Při tom se výrazně zvyšuje tlak v nádrži s mořskou vodou (obsah nádrže zůstává stejný a něco se musí měnit – tlak). Může tak vzniknout tlak až 20 barů, naměřený pod vodním sloupcem 200 metrů. Když se nádrž s mořskou vodou napojí na turbínu, vzniklý přetlak se může využít k výrobě elektrické energie. 28

Max Plank napsal: „… hledání perpetua mobile mělo pro fyziku alespoň takový význam, jak alchymie pro chemii, navzdory tomu, že výsledky experimentů nebyli pozitivní“. Formování zákona zachování všech forem pohybu matérie začalo již velmi dávno. Antičtí autoři psali nejen o nezničitelnosti hmoty, ale i jejího pohybu. V 16. století G. Galileo (1564-1642) konstatoval, že: „Stroje nevyvíjejí sílu, jen ji proměňují. Kdo tvrdí něco jiného, nerozumí mechanice“. G. Leibnic (1646÷1716) vysvětlil, že: „Princip rovnosti příčiny a účinku je základem výpočtu živé síly (toto vylučuje konstrukci perpetua mobile). V souladu s tím si živá síla zachovává svou velikost (při zdvihu závaží do určité výšky, stlačení pružiny), nedochází ani k minimálnímu zisku“. M. V. Lomonosov (1711÷1765) napsal, že: „Všechny proměny v přírodě probíhají tak, že když se něco z jednoho tělesa odebere, přibude druhému. Tento zákon platí i pro pohyb. Kolik toho jedno těleso ztratí, stejnou část jiné přijímá.“ Řekněme si, že „zákon zachování síly“ byl respektovaný již ve druhé polovině 17. Století a například Pařížská Akademie věd v roce 1775 oficiálně oznámila, že se již nebude zaobírat stroji, které se pohybují sami od sebe (Qantilianus: „Non tentanda quae effici omnimo non posaint“ = je zbytečné pokoušet se o to, co je úplně nedosažitelné).

29

SHRNUTÍ KAPITOLY

Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace.

KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Která revoluce rozběhla nejvýznamněji technický pokrok? 2. Čím přispělo osvícenství k rozvoji oborů techniky? 3. Co je potřeba k tomu, aby vznikali objevy a vynálezy?

ŘEŠENÍ

Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské činnosti, ve kterých hrají stroje, přístroje a nástroje dominantní roli.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ

Uveďte historické příklady kdy o technické inovaci či novém objevu rozhodovali historické souvislosti

30

2 ENERGETICKÉ ZDROJE, PŘÍČINA POHYBU STROJŮ A JEJICH SOUČÁSTÍ – DĚLENÍ STROJŮ CÍL Pohony strojů jsou základem jejich provozní schopnosti, ale obnova a aktivace této schopnosti je spojená s dodáváním energie, dnes většinou energie elektrické. Stroj se skládá z částí a jeho funkčnost je závislá od vlastností jejich rozhraní. I podle toho můžeme udělat rozdělení strojů na jisté skupiny – obecně nejznámější dělení souvisí s jejich použitím. Poznáme i jiné charakteristiky nežli ty, které jsou odvislé od způsobu Znalosti použití.

Rozšiřujeme si přehled o složitých systémech, které mají obecnou Dovednosti charakteristiku strojů.

KLÍČOVÁ SLOVA Systém, mechanizmus, energetický zdroj, typy strojů, strojírenství.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 2 hodiny.

31

Každý fungující stroj limitují dvě veličiny: 1. Mechanizmus určující funkci stroje – podle toho k čemu stroj slouží, jakou či jaké činnosti člověka má suplovat (obrábění, lisování, transport apod.) 2. Energetický zdroj pohonu stroje – podle toho co je energetickým silovým nosičem, dnes nejčastěji energie elektrická (v historii energie samotného člověka, energie zvířat, energie tekoucí vody, větru, k čemuž sloužili jiné mechanizmy na proměnu energií na lépe využitelnou s vyšší účinností). Každý stroj z metodologického pohledu je vlastně složeninou jednodušších prvků, tedy je to SYSTÉM. Dělení systémů je stejně ošidné jako dělení jednotlivých jeho prvků / součástí, protože je to otázkou úhlu pohledu toho co dělení provádí. Dělení systémů z pohledu obecné/přírodní struktury je na systémy:  Amorfní  Homogenní  Heterogenní (absolutní většina používaných strojů na Zemi je heterogenních) Rozhodujícím pro funkčnost každého systému/stroje jsou interakce jeho součástí a proto významnou úlohu při zajištění funkčnosti systému mají rozhraní (interfejsy, synapse) působící mezi jednotlivými součástmi (součástkami)7. Pokud se systémy (stroje) podíváme z pohledu jejich složitosti, pak mohou být JEDNODUCHÉ a SLOŽITÉ. V přírodě jsou systémy běžné a nemusí být v každém časovém okamihu stejné, proto poznáme systémy „náhodné“ – STOCHASTICKÉ, systémy STAVOVĚ DETRMINOVANÉ, podle vlastností okolního prostředí a systémy DETERMINOVANÉ s přesně definovanými funkcemi a vlastnostmi a sem patří všechny stroje postavené a vymyšlené člověkem. Další alternativou dělení, je podle pracovního režimu na:  Systémy STATICKÉ,  Systémy DYNAMICKÉ,  Systémy ADAPTIVNÍ. Podle chování systému mohou být stabilní, nestabilní, systémy na mezi stability, učící se systémy, systémy s umělou inteligencí a systémy kódovací. Dělení podle užití může vypadat následovně:          7

Zpracovatelské, Kontrolní, Regulační, Rozhodovací (třídící), Sdělovací, Informační, Dopravní, Diagnostické, VÝROBNÍ.

Novák, M., Šebesta, V., Votruba, Z., Bezpečnost a spolehlivost systémů, ČVUT Praha, 2003, ISBN 80-01-02807-0

32

Podle stupně organizace systému rozeznáváme:  Systémy s paralelní strukturou,  Systémy se stromovou strukturou. Dnes je aktuální a frekventované použití IKT (informačních a komunikačních technologií) a proto si uveďme i toto dělení:            

Systémy pro sběr dat, Databázové systémy, Tabulkové systémy, Třídící systémy, Komunikační systémy, Modulační systémy, Přenosové systémy, Expertní systémy, Predikční systémy, Optimalizační systémy, Systémy na podporu rozhodování, Autonomní systémy.

To co určuje použití stroje je účel použití, teda druh práce kterou mají stroje vykonávat. Pokud stroje používáme na specifické činnosti ve stavebnictví, pak jsou stroje STAVEBNÍ, v potravinářství jsou to stroje POTRAVINÁŘSKÉ, v chemickém průmyslu stroje CHEMICKÉ, v energetice ENERGETICKÉ STROJE a tak bychom mohli vyjmenovat všechny dnes známé obory činnosti člověka. Lepší bude hledat nějaký znak či charakteristické znaky čím se jednotlivé stroje odlišují, neboť většina strojů je „soustrojí“, což znamená, že se skládá z různých mechanizmů. Mechanizmy vycházející z fyzikálního principu pohybu, kterým disponují a mohou mít dvě alternativy, s POHYBEM PŘÍMOČARÝM a ROTAČNÍM. Nejrozšířenějším oborem práce strojů je výroba, přesněji PRŮMYSLOVÁ VÝROBA, tedy zjednodušeně řečeno, prostředí kde stroje navržené a často i řízené lidmi vyrábějí jiné stroje. Pak pro identifikaci strojů je rozhodujícím jakou technologii používají v procesu transformace (proměny) suroviny, materiálu, polotovaru na konečný výrobek (produkt výroby). Pro uvedenou charakteristiku „strojů vyrábějících stroje“ se vžilo označení STROJÍRENSTVÍ či strojírenský průmysl. V něm podle použité technologie se používá dělení na stroje pro:    

Obrábění a dělení Tváření Odlévání Sváření a spojování

33

SHRNUTÍ KAPITOLY

Stroje mají mnohé společné charakteristiky (zvláště jejich standardizované součásti), ale některé mechanizmy či fyzikální principy jsou unikátní. To jsou základní znaky jejich rozdílnosti a kategorizace do skupin.

KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Jaké typy mechanizmů znáte? 2. Napište charakteristiky strojů, kterých hlavním rysem je technologický postup? 3. Jaké typy organizace systémů znáte?

ŘEŠENÍ

Prostudujte a snažte se pochopit mechanizmus činnosti výrobního stroje Vámi zvolené technologie. Popište způsob jeho činnosti a promyslete možnosti konstrukční či technologické inovace.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ

Uveďte a schematicky nakreslete základní charakteristiky transformačních mechanizmů používaných v různých typech strojů.

34

3 STROJE A JEJICH SOUČÁSTI CÍL Motor je strojírenský výrobek, tvořen několika stroji a mnoha mechanizmy a součástkami. Proto by mělo patřit k všeobecné lidské potřebě znát alespoň stroje, které často používáme denně. Tato kapitola naší studijní opory to umožní. Studující se obeznámí s nečastěji používanými součástmi strojů a jejich mechanizmů. Materiál je bohatě „osazený“ skutečnými technickými výkresy Znalosti a schématy používanými ve strojírenské praxi.

Získané povědomí vytvoří základní obraz o tom, z čeho jsou poskládané stroje kolem nás. Možná je velmi málo lidí, kteří by se doma či ve svém okolí nesetkali a automobilem, letadlem či jiným dopravním zařízením. Již Dovednosti méně je těch, kteří znají technické produkty vyrábějící tyto populární a oblíbené dopravní „stroje“.

KLÍČOVÁ SLOVA Šroub, závit, čep, hřídel, technický výkres, nýtový spoj, svařovaný spoj, tření, ložisko, spojka, spalovací motor, turbiny, ventilátory, brzda, převod, ozubené kolo.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 12 hodin.

35

3.1 Důležité součásti strojů 3.1.1 Spoje Šroubové spoje – jsou snad nefrekventovanějšími prvky strojů, kterých účelem je spojení dvou konstrukčních prvků, tvoří tedy jistý typ rozhraní pro které je rozhodující jeho pevnost. Proto je důležité z jakých materiálů jej vyrobíme, protože to rozhoduje jejich pevnosti, spolehlivosti a životnosti. Typickými pro tyto spoje jsou dva způsoby namáhání:

Šroub namáhaný v ose:

Šroub namáhaný kolmo na osu:

Tabulka 4.1 Šroubové spoje

36

Konstrukční spoje – slouží na spojení dvou nebo více součástí v rozebíratelný nebo nerozebíratelný celek. Toto spojení lze provést stykem:    

Tvarovým – působí normálové (na spoj kolmé) síly nebo tlaky, Silovým – síly se přenášejí třením, Materiálovým. Spoje kolíkem  spoje a upevnění:  přesné vymezení vzájemné polohy:  pojištění strojních součástí:

Druhy kolíků (válcové, kuželové, rýhované):

Spoje čepem

37

Nýtované spoje:  Nýtování přímé – deformací jedné ze spojovaných součástí  Nýtování nepřímé – vložením nýtů do průchozích děr Nýtování – ručně (do průměru 26 mm), strojně, za studena (do průměru 10 mm), za tepla. Použití na spojování těžko svařitelných materiálů, na montážích, spojení profilů a plechů z lehkých kovů a slitin apod.

Lepené spoje: Slouží na pevné spojení pomocí tekutého materiálu (vrstva lepidla okolo 0,1 mm). Podle teploty a tlaku potřebných pro ztuhnutí lepidla je lepení při normální teplotě okolo 20° C, při zvýšené teplotě 20° ÷ 200° C, při vysoké teplotě okolo 200° C, při vysoké teplotě okolo 200° C a při tlaku. Spojovanými materiály jsou kovy v letectví i strojírenství pro spojování plechů, nádrží, rámů, potrubí, nábojů na hřídeli, apod. Lepením se spojují i nekovové materiály ve všech oblastech pro spojování částí ze dřeva, PVC, keramiky, termosetů, skla, apod. Pájené spoje: Pájení je způsob provedení pevného nerozebíratelná spojení zpravidla dvou kovových částí pomocí kovu, který je při spojování roztaven a difúzí propojí spojované části, aniž by se roztavily. Známe dva způsoby pájení, pájení měkkou pájkou (do 500°C) a pájení tvrdou pájkou (nad 500°C). Měkkým pájením se spojují materiály jako měď, zinek, ocel, olovo, šedá litina, hliník, sklo a kovokeramické slitiny. Jako pájky se používají materiály na cínové báze a použitá tavidla jsou pryskyřice jako lůj, stearin, kalafuna a některé chloridy.

38

Tvrdé pájení je spojováním materiálů (ocel, šedá litina, měď, nikl a jejich slitiny). Pájky jsou na mosazné a stříbrné materiálové bázi, jako tavidla se používají borax, kyselina boritá, chloridy, soda a kysličník křemičitý. Svařované spoje: Jsou známé dva základní způsoby svařování, TAVNÉ a TLAKOVÉ.

Nejnázornější jsou zajisté vyobrazení, a proto si je ukážeme:

3.1.2 Hřídele (shafts) Jsou strojní součásti, které slouží k přenou kroutícího momentu, tedy používá se u všech točivých strojů. Pro jeho funkci je nesmírně důležité jeho uložení. K zajištění co nejefektivnějšího přenosu síly pohonu přes krouticí moment se používají různá ložiska (jednoduchý příklad uložení pomoci kuličkových ložisek je vidět na následujícím obrázku). Pro přesnost přenosu (úmysl co nejmenších ztrát přenášeného výkonu) se volí konstrukce spojení hřídele s nábojem. Známe tři konstrukční typy spojení hřídele s nábojem, s TVAROVÝM STYKEM, se

39

SILOVÝM STYKEM a PŘEDPJATÉ S TVAROVÝM STYKEM.

40

3.1.2.1

ULOŽENÍ HŘÍDELŮ (shafts support)

Kluzná otočná uložení, u nichž vrstva maziva (tzv. hydrodynamický klín) vzniká při relativním pohybu kluzných ploch (vytvářejících klínovou mezeru). Druhy kluzného tření a) suché, b) polosuché (mezní), c) kapalinové

41

3.1.2.2

VALIVÁ LOŽISKA

Daleko efektivnějším prostředkem přenosu síly z poháněcího motoru přes hřídel je za pomoci ložisek s valivými tělísky snižujícími tření čepu hřídele v uložení. Jejich klíčové vlastnosti jsou:       

Slouží k zachycování radiálních a axiálních posuvů a sil v obou částech stroje při vysokých otáčkách a teplotách, Nejsou vhodná pro rázová zatížení, Vůle v ložisku mohou být na závadu, Malé ztráty, účinnost η=0,98, Malé podélné rozměry v porovnání s jinými typy uložení, Větší průměry v porovnání s jinými typy uložení, Malé nároky na údržbu.

Kuličkové ložisko:

Válečkové ložisko:

42

3.1.2.3

HŘÍDELOVÉ SPOJKY (shaft clutches)

Účel spojek je spojit dva hřídele a přenášet krouticí moment ze vstupního hřídele na výstupní. Spojky lze rozdělit na neovládané, ovládané, samočinně ovládané, pojistné. Další funkcí spojek je snížení vibrací nebo eliminování nesouososti (pružné spojky). V převodovkách se často používají synchronizační spojky. Jiné spojky mají zajistit přenos krouticího momentu jen v jednom směru otáčení (volnoběžky).

43

3.2 Mechanizmy strojů Jsou prvky strojních systémů zesilující či zeslabující účinek sil pohonů, jsou to zejména převodovky. 3.2.1 Brzdové systémy (braking systems) Brzdy jsou zvláštní typy spojek. Brzdy mají snížit rotaci (brzdy v automobilu) nebo zcela zastavit rotaci stroje (parkovací brzda v automobilu) nebo zatěžovat hnací stroje brzdícím momentem „M“ (motorová brzda). Brzdy přeměňují pohybovou energii na energii tepelnou (nejčastěji), elektrickou (pomocí generátoru a baterií) a mechanickou (setrvačník). MECHANICKÉ BRZDY – čelisťové, pásové, kotoučové, lamelové, kuželová

44

BUBNOVÉ BRZDY mají vyšší brzdnou účinnost oproti kotoučovým brzdám, naopak ale mají špatné chlazení, které snižuje její účinnost.

Pásové brzdy jsou třech typů, a) jednoduchá pásová brzda, b) diferenciální pásová brzda, c) součtová pásová brzda.

3.2.2 Převody s ozubenými koly (transmission with gear wheels) Jedná se o převody s tvarovým stykem, jejichž výhody jsou: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

relativně malé rozměry, dobrá spolehlivost a životnost, dobrá mechanická účinnost, přesné dodržení převodového poměru, schopnost přenosu velikých výkonů, schopnost dosažení vysokých převodů, malá náročnost na údržbu, krátkodobá přetížitelnost.

Nevýhody jsou následovní: 1. složitější a dražší výroba, 2. nároky na přesnost a tuhost uložení, 3. hluk a chvění,

45

4. tuhá vazba neumožňuje tlumení rázů a dynamického zatížení. ROZDĚLENÍ OZUBENÝCH PŘEVODŮ Podle čelní profilové křivky zubů ozubeného kola známe ozubení: evolventní, cykloidní a zvláštní. Podle tvaru boční čáry zubů identifikujeme kola s: a. přímými zuby, b. šikmými zuby, c. dvojitě šikmými zuby, d. šípovými zuby, e. dvojitě šípovými zuby, f. kola se zakřivenými zuby, g. kola se šroubovými zuby. Podle relativního pohybu základních členů jsou soukolí valivá a soukolí šroubová. Podle vzájemné polohy os jsou soukolí s osami rovnoběžnými, různoběžnými a mimoběžnými.

46

3.3 Stroje 3.3.1 Zážehové a vznětové pístové spalovací motory (petrol and diesel pistone combustion engines) Spalovací motory jsou pístové nebo rotační, Spalovací motor pracuje na základě přeměny tepelné energie na energii mechanickou. Tepelná energie vzniká chemickou reakcí paliva a kyslíku z nasávaného vzduchu. Nejčastějšími palivy jsou benzín, nafta a zemní plyn. O paliva budoucnosti se hlásí vodík a rostlinný olej. Směs vzdušného kyslíku a paliva se zapálí buď vznícením (pouze stlačením směsi - vznětové motory) nebo zažehnutím (zapálením směsi – zážehové motory). Způsob nasátí vzduchu, spálení paliva a vyprázdnění spalin může motor zvládnout během jedné otáčky (dvoutaktní motory a rotační motory) nebo dvou otáček (čtyřdobé motory). Vzdušný kyslík lze do motoru dostat pod tlakem (nasátím – atmosférické motory) nebo přetlakem (přeplňováním - nucené vhánění vzduchu do motoru).

47

VZNĚTOVÝ MOTOR (naftový) – výkon motoru se řídí podle množství vstříknutého paliva do spalovacího prostoru. Výhody motorů s přímým vstřikem paliva jsou:  nižší spotřeba paliva,  snazší spouštění motorů při nižších teplotách,  jednodušší konstrukce hlavy motoru,  jsou nižší tepelné a hydraulické ztráty. Tyto výhody jsou dosaženy díky lepšímu víření směsi paliva, lepšímu průběhu hoření. Nevýhody motorů s přímým vstřikem paliva jsou:  vyšší nároky na vstřikovací zařízení při požadavku velmi jemného rozprášení paliva,  vyšší nároky na kvalitu paliva. Výhody motorů s nepřímým vstřikem paliva jsou:  nižší maximální tlaky ve válci a tedy menší namáhání součástí motoru,  menší nároky na vstřikovací zařízení, kvalitu paliva. Nevýhody motorů s nepřímým vstřikem paliva jsou:  vyšší měrná spotřeba paliva,  složitější a dražší konstrukce hlavy motoru,  obtížnější spouštění studeného motoru. MAZÁNÍ MOTORŮ Hlavní funkcí mazací soustavy je vytvořit tenký olejový film na třecích plochách tak, aby se relativní pohyb součástí uskutečnil jako kapalinné tření. Výsledkem je snížení míry opotřebení součástí. Míra tření je tak převáděná z polosuchého tření na tření kapalinné. Zcela je nutné mazáním zamezit suchému tření součástí.

48

MAZÁNÍ je možné: - mastnou směsí – mazací olej je smíchán ve stanoveném poměru s palivem (dvoutaktní motory), - tlakovým mazáním – k mazanému místu je přiveden olej pod tlakem z olejového čerpadla. Tlakové mazání můžeme rozlišit podle umístění zásoby oleje na: -

mazání se suchou skříní – zásoba oleje je v samostatné nádrži mimo motor, mazání s mokrou skříní – olejovou nádrží je spodní víko motoru.

3.3.2 Rotační lopatkové stroje (rotary paddle machineries) Jednou skupinou těchto strojů jsou hydraulické – vodní motory:  hydrodynamická čerpadla,  hydrodynamické spojky a měniče. Dalšími jsou tzv. tepelné – parní a plynové turbiny:  ventilátory,  turbodmychadla,  turbokompresory.

49

Směr průtoku těchto lopatkových strojů může být:  radiální  diagonální  axiální Tabulka 4.2 Hydrodynamická čerpadla se základními parametry.

Radiální čerpadla mohou být:        

jednostupňová, vícestupňová (článková), dvouproudá (víceproudá), ucpávková a bezucpávková, kalová, ponorná, samonasávací, v potravinářství.

50

VENTILÁTORY

Regulace lopatkových strojů se provádí:    

škrcením ve výtlaku, škrcením v sání, změnou otáček, vypouštěním.

3.3.3 Plynové turbíny (gas turbine) Mechanická energie se získává z energie teplonosné látky a 2/3 výkonu spotřebuje turbokompresor, 1/3 výkonu pro pohon (generátor apod.). 1. Turbína spalovací – spaliny ze spalovací komory proudí přímo na oběžné lopatky 2. Turbína plynová – spalovací komora pracuje jako výměník 3. Turbína expanzní – expandér – nemá spalovací komoru ani turbokompresor (rovnotlaký, přetlakový) 51

SROVNÁNÍ PARNÍ A PLYNOVÉ TURBÍNY a) teplonosná látka nemění své skupenství, b) vyšší teplota pracovní látky 650-850 °C (až 1200 °C) c) nižší tlak (komora má tenčí stěny) d) poměr měrných objemů na výstupu a vstupu je u parní turbíny 100 až 400, u plynové turbíny 3 až 9 => menší rozdíly v délce lopatek a menší počet stupňů (1 až 8).

OKRUHY PLYNOVÝCH TURBÍN

Legenda: 1. turbina, 2. turbokompresor, 3. spalovací komora, 4. alternátor, 5. pomocný motor, 6. palivové čerpadlo, 7. přívod paliva, 8. přívod vzduchu, 9. výfuk, 10. výměník, 11. dmychadlo, 12. chladič, 13. pracovní plyn.

Použití plynových turbín:  přeplňování spalovacích motorů,  pohon turbokompresoru Obrázek 4.1 Spalovací turbína s turbokompresorem (ilustrační foto)

).

52

ZÁKLADNÍ ČÁSTI PLYNOVÝCH TURBÍN 1. Rozváděcí lopatky – vyrobené z velmi kvalitních materiálů (600 ÷ 950 °C), 2. Oběžné lopatky – velmi odolné vůči tahovému, ohybovému namáhání a creepu, 3. Rotor – vyrobený jako výkovek, 4. Skříň - dvoudílný odlitek nebo svarek, 5. Plamenec – vyrobený ze žáruvzdorného materiálu (pracuje při teplotách až 1100 °C). Regulace výkonu se provádí:  množstvím paliva  teplotou směsi paliva a vzduchu  forsážní (letecké proudové motory).

53

SHRNUTÍ KAPITOLY Poskládat nějaký stroj není žádné umění, pokud jste „zasvěceni“ do tajů strojírenských součástí, jejich funkce a pravidel (zákonitostí), které jsou z pohledu funkce nepřekročitelnou hranicí akceptující přírodní zákony a známé fyzikální koncepty. Stejně tak může být problém i nedestruktivní rozebrání nějakého stroje či mechanizmu, proč. Rozebírat je nutno tak aby to co rozkládáme, bylo možno poskládat zpátky, a nejlépe tak aby toto soustrojí (mechanizmus) i fungovalo. Podaří se nám to buďto při přísné systémovosti činností, které provádíme (prostě si vše zapisujeme, nebo kreslíme), nebo v případě zažité a vzděláváním do podvědomí zapsané znalosti a zkušenosti.

KONTROLNÍ OTÁZKA

1. 2. 3. 4. 5. 6.

K čemu slouží spojovací součástky a jaké typy spojení znáte? Vyjmenujte součásti rozebíratelných spojení? K čemu slouží ozubená kola, jak se vzájemně odlišují a jakou funkci zajišťují? Jaké typy spalovacích motorů znáte? Jaké funkční části mají turbiny? Proč mají lopatky ventilátorů a jiných lopatkových strojů různý tvar profilu lopatek?

ŘEŠENÍ

Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské činnosti, ve kterých hrají stroje, přístroje a nástroje dominantní roli.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ 1) Sestavte a nakreslete jednoduchý rozebíratelný spoj a. dvou přírub b. čepu hřídele a oběžného kola 2) Navrhněte a sestrojte v laboratoři (dílně) větrnou růžici s různými profily „lopatek“ růžice a posuďte jejich účinnost. 3) Intuitivně navrhněte tvar zubů ozubeného kola, anebo hřebene pro co nejlepší přenos síly (nejlepší účinnost přenosu krouticího momentu)

54

4 BEZPEČNOST, SPOLEHLIVOST A OPRAVITELNOST STROJŮ CÍL Stroje nejsou jen prostředníkem vyšší výkonnosti uvědomělé lidské činnosti, ale jsou i nebezpečným pomocníkem. Bezpečnost je ale nejvyšší prioritou potřeb člověka a proto vyžaduje znalosti z oblasti pravděpodobnosti a vytváření spolehlivostních modelů. Získáte obraz o vztahu bezpečnosti – spolehlivosti – opravitelnosti a Znalosti udržovatelnosti.

Získané pomůže k vytvoření základného obrazu úkonů a činností, které limitují použitelnost, bezpečnost a provozní spolehlivost strojů a jejich Dovednosti součástí.

KLÍČOVÁ SLOVA Bezpečnost, spolehlivost, spolehlivostní model, technika spolehlivosti, údržba, intenzita poruch, střední doba bezporuchového provozu.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 6 hodin.

55

Teorie bezpečnosti a spolehlivosti systémů (v našem případě STROJŮ) je nástrojem pro řešení závažných problémů, spojených s provozem a užíváním strojů. Tato teorie dnes zahrnuje několik významných složek:     

teorie tolerancí parametrů systémů / strojů, teorie čar života, teorie citlivostí, metody analýzy spolehlivosti, metody predikční diagnostiky13.

Správná funkce strojů určuje i celkovou životnost (dlouhověkost). Tento parametr je limitován tzv. spolehlivostí. Spolehlivost je míra pravděpodobnosti, že po jistou dobu či v jistém rozpětí na systém působících nezávislých proměnných, SE JEJICH SYSTÉMOVÉ FUNKCE NEBUDOU ODCHYLOVAT OD POŽADOVANÝCH HODNOT VÍC NEŽ O DOVOLENÉ ODCHYLKY. Pojem BEZPEČNOST je spojovaný zejména s funkcemi systémů a můžeme jej chápat jako míru odolnosti funkcí systému vůči rušivým zásahům (to znamená ne jen přírodní vlivy jako počasí, teplota, vlhkost apod., ale i působení člověka, většinou zásahy obsluhy stroje, nebo neodborného zásahu neznalé osoby). Bezpečnost funkcí systémů (strojů) chápeme tedy jako míru pravděpodobnosti, že činností stroje (systému) ani selháním jeho funkcí nedojde ke škodám a ohrožení člověka, skupiny lidí ani životního prostředí. Dnes má problematika bezpečnosti i jisté sociální, společenské a právní aspekty. Pocit bezpečí je totiž jednou z nejdůležitějších potřeb člověka. Proto princip bezpečnosti je důležitý i pro jiné jako technické systémy, tedy není překvapující, když se o ní hovoří v souvislosti s ekonomickými, finančními, obchodními a sociálními systémy. Jak jsme si již řekli, chceme bezpečné stroje a bezpečné prostředí. Celek (systém/stroj) může být bezpečný jen v případě, že jsou bezpečné jeho součásti, a když bezpečně a spolehlivě fungují jejich rozhraní (místa spojení/kontaktu/vazby součástí). Z toho vyplývá, že tím rozhodujícím parametrem u technických systémů typu strojů a přístrojů je jejich správná funkce a čas pokud fungují podle předpokladů. Tyto požadavky jsou implicitně obsažené ve SPOLEHLIVOSTI, která se věnuje studiu časové degradace vlastností, proto se ještě pokusme věnovat jí. Každé zařízení časem mění svoje vlastnosti (degraduje). U vyráběných a člověkem navržených systémů (výrobků – strojů a součástek) je oním parametrem zajišťujícím jak bezpečnost, tak správnou funkci, VLASTNOST či VLASTNOSTI. Tak jak člověk když stárne, ztrácí některé schopnosti (vlastnosti), proto svou činnost musí zaměřit tak, že posílí jiné schopnosti, nebo je nahradí jinými. U strojů nechceme připustit ztrátu výkonnosti a změnu některých funkcí, proto musíme předvídat místo a stupeň degradace jeho součástí, abychom je mohli vyměnit ještě pře tím, než změní své vlastnosti, tedy abychom stroj preventivně opravili. To je současný trend, který umožní připravit se na to a například v čase dovolených udělat tuto ÚDRŽBU, což je vlastně obnova správných funkcí stroje (systému). U biologického systému (například člověk) je takový postup možný, obtížný a podstatně méně efektivní – jedná se vlastně o transplantace. Na rozdíl od strojů však biologické systémy mají nekonečně více interfejsů, tedy vazebních míst i vzájemně přímo nesousedících prvků/orgánů/buněk a proto jednoduchá výměna některých buněk/orgánů není schopná obnovy do původního stavu se všemi původními funkcemi.

56

U strojů je tedy situace mnohonásobně jednodušší a zajištění jejich spolehlivého provozu snadnější. Součástí spolehlivostního studia technických prvků a systémů je tzv. „program spolehlivosti“, který je hlavně založen na zkoumání a zkoušení vlastností. Proto výrobci strojů, přístrojů (systémů) v rámci svých programů spolehlivosti mají vybudovaná laboratoře / zkušebny, kde zkoušejí vlastnosti svých výrobků v různých pracovních a klimatických situacích (provozní prostředí). Zkoušky je možno rozdělit do dvou skupin, krátkodobé a dlouhodobé. Princip krátkodobého zkoušení je založené na zrychlení degradačních mechanizmů extrémním zvýšením namáhání a sledují se změny vlastností až do ztráty funkce (ověřované vlastnosti). Ukončení takové zkoušky je limitováno fyzikální či fyzickou degradací (úplným ukončením zkoumané funkce). Naproti tomu dlouhodobé zkoušky nekončí „zničením“, ale účelem tohoto sledování je měření a vyhodnocování změn vlastností v čase a hledání limity vlastností, tj. hledá se doba do kdy vlastnosti zkoušeného prvku/systému (stroje), splňují všechny požadované hodnoty a stanoví se tolerance parametrů, kdy ještě jsou zkoumané prvky schopné správně plnit své funkce. Pro techniku spolehlivosti jsou důležité zkoušením získané parametry, jako INTENZITA PORUCH 8 (P) a střední doba do poruchy (parametr, který umožňuje provádět preventivní údržbu). Nedílnou součástí této technické disciplíny, určování parametrů technického života strojů (v letectví se to nazývá technický resurs) je matematická disciplina, která má celkem charakteristický název, tj. PRAVDĚPODOBNOST (teorie pravděpodobnosti). V rámci spolehlivosti se určují modely systémů:  sériový spolehlivostní model,  paralelní spolehlivostní model,  kombinovaný spolehlivostní model. Obrázek 4.1 Sériový spolehlivostní model A2

A1

A3

An

V sériovém modelu, pokud známe hodnotu pravděpodobnosti bezporuchového provozu Ri (t) pro každý prvek systému Ai, je možné určit pravděpodobnost bezporuchového provozu R (t) celého systému (stroje) jako součin pravděpodobností prvků: (1.) Většinou se ještě určuje střední doba bezporuchového provozu TS. (2.) Obrázek 4.2 Paralelní spolehlivostní model A1

A2

A3

An 8

Grepl, J., Malec, Z., Spolehlivost systémů (Návody na cvičení), SNTL Praha, 1986, VUT Brno, 412-33754

57

Podobně je možné tyto hodnoty určit pravděpodobnost bezporuchového provozu:

v případě paralelního

spolehlivostního

modelu,

(3.) Použijeme-li n shodných prvků s konstantní intenzitou poruch P je střední doba bezporuchového provozu: (4.)

Pro kombinovaný model spolehlivosti pravděpodobnost bezporuchového provozu: (5.) Střední doba bezporuchového provozu: (6.)

Obrázek 4.3 Kombinovaný spolehlivostní model A2 A1 A3

58

5 ÉRA HOLÝCH STROJŮ ZANIKLA – KYBERNETICKÉ STROJE CÍL Stroje, anebo nějaký mechanizmus, člověk zná a používá již tisíciletí. 20. a 21. století je však mezníkem v tom, že došlo k faktickému oddělení člověka a jeho výrobního nástroje. Tuto roli přebírají kybernetické systémy, což jsou komplexy elektronických zařízení, programového vybavení a učících se algoritmů. Získáte znalosti o typech kybernetických strojů a jejich využití.

Znalosti

Získáte přehled o mechanizačních a automatizačních prostředcích, které spolu s inovovanými stroji tvoří nové technické komplexy, nazývané Dovednosti kybernetické stroje.

KLÍČOVÁ SLOVA Kybernetika, inteligentní stroje, manipulátory, roboty, obráběcí stroje, logistika.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 4 hodiny.

59

Rostoucí tlak na zvyšování produktivity a kvality výroby je jedním z klíčových důvodů rostoucího zájmu o aplikaci automatických výrobních zařízení či celých výrobních systémů. Automatizace přetváří strukturu celé výrobní organizace, mění výrobní technologii a působí i na vývoj výrobního procesu9. Obrázek 5.1

Mnozí možná již pojmenovali druhou půlku minulého, 20. století jako informační revoluci, kterou vyvolalo hromadné používání počítačů s grafickými operačními systémy (zejména Microsoft a Apple). Dnes jsme již dál, kompilace programového vybavení s prvky umělé inteligence se dostávají do všech oborů lidské činnosti a „učící se“ stroje v průmyslových podnicích nejsou již žádnou novinkou. Tedy pokud se nic nestane a dokážu to odhadnout, pak 21. století by mohlo dostat přívlastek „století umělé inteligence“. Kapacita toho čemu se říká hardware (tedy v podstatě elektronický stroj, či možná lépe přístroj), totiž umožňuje zpracování obrovského množství dat (skrze obrovskou kapacitu pamětí) za pomoci velice komplexních a vnitřně se rozvíjejících (na principu neuronových sítí) softwarových nástrojů ve velice krátkém čase (což umožňuje vysoká pracovní frekvence a komplexnost více-jádrových procesorů) a jejich paralelní pracovní režimy. Takové revoluční zapojení „inteligentních“ strojů však vyvolává i revoluci sociální, neboť je nutno tomuto příštímu obrazu měnit i stav a charakter společnosti. To vyvolává a zřejmě bude vyvolávat pnutí ve společnosti, neboť již dnes po finanční krizi z konce první dekády 21. Století, důsledkem této revoluce je zvyšující se nezaměstnanost. Zaměstnavatelé ve snaze zachování svých zisků sahají často k nahrazování lidské práce, prací právě těchto tzv. inteligentních strojů. Obávám se, že dlouhodobější neřešení tohoto společenského problému vyvolá revoluci další – sociální (možná vzhledem k minulým zkušenostem lépe nazvatelnou jako revoluci společnosti). To však je mimo tématu a proto se tím nebudu déle zabývat10. Základními projevy kybernetizace nejsou počítače samotné ani programy (software), které se dělají na objednávku, ale systémy komplexního charakteru, například automatizované a robotizované výrobní provozy a linky, medicínské operační komplexy či logistické řetězce. Proto si co to řekneme právě o typických strojích majících prvky kybernetických systémů. Nejčastější aplikace jsou ve výrobních systémech a proto si co to povíme o automatizačních prvcích výrobních strojů a robotech. První fází systémové automatizace je vybavení výrobního stroje systémem řídícím vlastní technologický proces, například obrábění (Computer Numerical Control – CNC obráběcí stroj). Rozdělení CNC strojů se provádí podle vykonávané práce na11: 1. CNC stroje pro obrábění – soustruhy, frézky, brusky, obráběcí centra, stroje pro dělení materiálu, stroje pro nekonvenční obrábění (drátové řezačky, laserové vrtačky, plazmové řezačky atd.). 9

Rumíšek, P., Automatizace (roboty a manipulátory), FSI VUT Brno, 2003 Ponický, P., Technika a technologie v životě lidí, WPOP6 – Technologie znovu objevená perspektiva, Workshop k popularizaci výsledků výzkumu a vývoje v přírodních a technických oborech, Projekt CZ1.07/2.3.00/45.0019, s. 18 – 19 11 Polášek, J., Číslicově řízené stroje, elektronická učebnice VOŠ, SOŠ a SOU Kopřivnice, Projekt OPVaK č. CZ.1.07/1.1.07/03.0027 10

60

2. Ostatní CNC stroje – lisy, ohýbačky, svařovací roboty, dopravní manipulátory atd. Podle jejich specializace jsou tyto stroje jednoprofesní – při jednom upnutí obrobku mohou vykonávat jeden druh operace (soustruhy, frézky, vrtačky, brusky apod.) a víceprofesní – na obrobku se provádí více druhů operací při jednom upnutí. Do této skupiny patří obráběcí centra, jež můžeme dále rozdělit na:   

obráběcí centra pro výrobu obrobků hřídelových a přírubových, obráběcí centra pro výrobu skříňových součástí, obráběcí centra pro výrobu rotačních i nerotačních součástí s určitým omezením operací.

CNC stroje prošly čtyřmi vývojovými etapami – generacemi: Stroje 1. generace Vycházejí ze základních koncepcí konvenčních strojů. Mechanická část zůstala zachována a byla doplněna řídicím systémem. Nositelem programu byla děrná páska, štítek nebo magnetická páska. Umožňují řízení v pravoúhlých cyklech. Spolehlivost a přesnost strojů byla nízká. Dnes se už nevyrábějí. Stroje 2. generace Mechanická část těchto strojů je již upravena (revolverové hlavy, zásobníky nástrojů). Jsou vybaveny servosystémy. Umožňují řízení v obecných cyklech. Stroje 3. generace Mají dále upravenou mechanickou část. K pohonu posuvů se používají kuličkové šrouby, jsou použity velkoobjemové zásobníky nástrojů řízené počítačem, pro zlepšení přesnosti je lože vybaveno kalenými lištami, jsou automatizovány i další funkce stroje. Jsou řízeny počítačem, který současně realizuje i další úkoly, jako například napojení stroje a systém dopravy nástrojů a obrobků. Stroje 4. generace Předpokládá se adaptivní řízení celého výrobního procesu. Systém sleduje výstupy při obrábění (např. řezné síly, kvalitu povrchu), hodnoty se vyhodnocují a systém sám vyhledá takové řezné podmínky, které zaručí požadovaný průběh. U těchto strojů se předpokládá zavádění progresivnějších metod v konstrukci a využití strojů (např. uplatnění laserových paprsků zejména v měření, kontrole, řízení atd.). Vstup informací do CNC stroje může být proveden těmito způsoby: 1. Čtecím zařízením – používá se u NC strojů, slouží k přečtení údajů z děrné pásky. 2. Ovládacím panelem – slouží ke spojení mezi obsluhou a řídicím systémem CNC stroje. Umožňuje provádět potřebné funkce při seřizování a obsluze CNC stroje. Je zde zpětná vazba. Můžeme ho rozdělit na 5 částí:  Monitor + klávesnice,  Ovládací prvky,  Signalizační prvky,  Vstupy a výstupy,  Počítač.

61

Obrázek 5.2 Blokové schéma CNC stroje

Řídicí systém je sestaven z bloků: 1. Paměti – jsou v nich v číselné formě uloženy instrukce programu. Obsahují předpis pro postup činnosti počítače, jsou zde uloženy programy dílců, údaje o korekcích nástrojů, posunutí počátků, zpracovávaná data apod. 2. Interpolátor – zajišťuje pohyby po zadané dráze. 3. Porovnávací obvody (komparátory) – mají za úkol vlastní zpracování informací. Umožňují číselně vyhodnocovat rozdíl mezi skutečnou hodnotou a hodnotou naprogramovanou. Aby byl číslicově řízený stroj hospodárný, musí se jeho konstrukce lišit od konvenčního stroje. Takový stroj musí být maximálně využit během pracovního dne (vysokou spolehlivost a životnost, bezporuchovost, zajištění požadované přesnosti tvarů a rozměrů vyráběné součásti, drsnosti povrchu apod.) Proto se číslicově řízené stroje vyznačují některými dalšími konstrukčními znaky:  Konstrukce stroje musí mít vysokou přesnost a tuhost, aby byly odstraněny vůle mezi funkčními plochami a celky.  Při automatickém chodu musí být zaručen co nejhospodárnější řezný režim, který zároveň zaručuje vysokou produktivitu.  Vodicí plochy musí mít vysokou přesnost a životnost, u součástí s vyšším opotřebením je třeba zajistit vhodnou konstrukcí rychlou a snadnou vyměnitelnost.  Aby se zvýšila přesnost a životnost stroje, jsou některé stroje vybaveny stabilizací teploty oleje.  Musí být zajištěna přesná poloha jednotlivých součástí nebo uzlů stroje. K tomu účelu se používá servomechanismů a odměřovacích zařízení, které tvoří regulační obvod pro polohování.  Často se používá příčné uspořádání CNC stroje – nástroje jsou umístěny za osou obrábění v šikmé poloze. Tímto se zvýší tuhost soustavy stroj – nástroj – obrobek - přípravek, usnadní se manipulace s obrobky a lépe se odvádějí třísky z pracovního prostoru.  Automatickou výměnu nástrojů v průběhu pracovního cyklu zajišťují systémy s automatickou výměnou nástrojů.  Pracovní prostor stroje je uzavřený, umístěný za krytem, čímž se zvýší bezpečnost obsluhy.

62

 Pro zajištění opracování obrobku z více stran se používají různé přípravky, otočné a sklopné stoly, manipulační palety apod.  Nemají ruční obslužné prvky, obsluha se provádí pomocí ovládacího panelu.  Automatický cyklus číslicově řízených strojů vyžaduje tzv. třískové hospodářství. K odvádění třísek se používají dopravníky.  Stroje bývají rovněž vybaveny systémy automatické výměny obrobků a dopravníky pro manipulaci s hotovými výrobky.  Stroje jsou vybaveny soubory nástrojů, jejich předseřizováním, údržbou a výměnou.  Z důvodu vysoké přesnosti je k zajištění posuvu použit kuličkový šroub.  Pro bezporuchový provoz slouží pomocné, kontrolní, seřizovací a jiné přípravky.  Provádí se aktivní a pasivní kontrola obráběných součástí.  U nejmodernějších strojů se z důvodu zhospodárnění výroby používají adaptivní systémy řízení. Obrázek 5.3 CNC obráběcí stroj se skladovacím zásobníkem nástrojů.

Systémová automatizace samotných strojů je jen prvním krokem k automatizaci výrobních linek a automatizaci celých provozů. Jejich pojítkem jsou prvky automatizace výrobní logistiky (tj. mezioperační manipulace s materiálem) což v případě mechanizace zajišťují většinou specializované manipulátory, ale dnes převážně kognitivní roboty (učící se roboty – roboty s prvky umělé inteligence). Manipulační zařízení je podle úrovně možno rozdělit na: 1. TELEOPERÁTORY – manipulátory s ručním řízením, jsou to synchronní manipulátory bez řídicího systému, který je ovládaný člověkem, jeho účelem je zajištění multiplikativního efektu přenosu a znásobení síly operátora (použití hlavně v medicíně a stavebnictví). 2. MANIPULÁTORY S PEVNÝM PROGRAMEM – mají automatický řídicí systém, ale jeho změna je možná jen po odstavení a zásahu operátora/programátora (jednoduché a spolehlivé). 3. MANIPULÁTORY S PRUŽNÝM PROGRAMEM – mají automatický řídicí systém s možnou rychlou změnou programu a patří sem 3 skupiny robotů: a. PRŮMYSLOVÉ ROBOTY (PR) – změna pracovního režimu změnou programu (možné i na dálku v interní síti organizace, nebo i přes bezpečný internet), b. ADAPTIVNÍ PRŮMYSLOVÉ ROBOTY (APR) – vložený program se automaticky upravuje a modifikuje na základě aktuálních informací s kontaktních a bezkontaktních čidel, c. KOGNITIVNÍ ROBOTY (KR) – umělá inteligence jako součást řídicího systému pomoci níž se „automaticky“ generuje program činností na báze člověkem vložených algoritmů.

63

Obrázek 5.4 Transferová pružiná linka na motorové bloky

Obrázek 5.5 Teleoperační robot v medicíně (ilustrační foto)

Obrázek 5.6 Svařovací linky s adaptivními roboty (ilustrační foto)

64

SHRNUTÍ KAPITOLY Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace.

KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Která revoluce rozběhla nejvýznamněji technický pokrok? 2. Čím přispělo osvícenství k rozvoji oborů techniky? 3. Co je potřeba k tomu, aby vznikali objevy a vynálezy?

ŘEŠENÍ Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské činnosti, ve kterých hrají stroje, přístroje a nástroje dominantní roli.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ Uveďte historické příklady kdy o technické inovaci či novém objevu rozhodovali historické souvislosti

65

6 ODVĚKÁ ROLE STROJŮ - NOVÁ ROLE ČLOVĚKA CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak jsou jednotlivé obory lidské činnosti vzájemně spjaté a jejich rozvoj vzájemně podmíněný. Získáte znalosti o historickém pokroku spojeném s pokrokem technickým, Znalosti ekonomickým a sociálním.

Získané vytvoří základní obraz o významu techniky a přístrojů i v oblastech, které jsou zdánlivě technice nezávislé a tvoří spíš páteř tzv. humanitních Dovednosti oborů.

KLÍČOVÁ SLOVA Archeologie, anglická revoluce, průmyslová revoluce, technika, osvícenství.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1 hodinu.

66

Na začátku tohoto textu jsme si řekli, že prvořadým účelem strojů je náhrada lidské práce, její zdokonalení a hlavně zefektivnění – tj. zvýšení pracovní výkonnosti, zvláště dnes v době hromadné a požadavkům trhu podřízené flexibilní (pružné – často se měnící) výroby. Časem se zdokonalující nástroje umožnili i zdokonalování strojů využitím mechanizmů založených na poznání základních principů fyziky – mechaniky. Průmyslová revoluce požadující stále výkonnější pohony generovala technický rozvoj a akceleraci energetiky, jako zdroje pro pohony strojů. Biologická výbava člověka již nestačí nárokům rychlosti, přesnosti a frekvence výrobních úkonů, proto zavádění prvků umělé inteligence, automatizace a mechanizace při současném tempu nárůstu výrobních objemů a vyráběných druhů – je nezbytností. Bohužel i sociální důsledky těchto kroků musí lidstvo řešit, pokud nechceme, aby sociální napětí přerostlo do nějaké nové technický pokrok negující „revoluce“. Popsaný postup však znamená nutnost nadefinování nového postavení, nové role člověka. Proč? V celé historii lidské společnosti se člověk přímo, skrze jednoduché nástroje, podílel na transformaci materiálů, energií, výrobků (kovář vyráběl rýče, pluhy, podkovy, oplocení apod. a tak to bylo u jiných profesí - pekař, mlynář, zámečník atd.) a podobně však méně intenzivně ve službách (metař, čištění prádla apod.). Intenzivně postupující procesy automatizace, jistou část lidí čím dál víc staví do role pozorovatelů probíhajících procesů a velmi často z nich tvoří nezaměstnané. Proto je nutno hledat nové postavení člověka v systému jak výrobních tak společenských vztahů. Formálně jednodušší to bude v oblasti výrobních vztahů, role člověka se přesouvá do oblasti technické přípravy výroby, tj. vývoje, výzkumu, návrhu produktů a procesů. To vyžaduje po části populace čím progresivnější a kvalitnější vzdělání. Tato role však přislouchá lidem s vysokou kvalifikací ale toho je schopna jen menší část celé populace. Obslužní role člověka je méně náročná, ale neustále se zmenšující a pro menší počet lidí. Sociální a společenské služby jsou další oblastí uplatnění lidí, to jsou však služby netvořící klasickou ekonomickou přidanou hodnotu a musí být sanované ze zdrojů tvořených produktivní (výrobní) sférou. Do této kategorie patří i služby mezinárodní, národní a občanské bezpečnosti (tj. armáda, policie a další bezpečnostní služby). Prozatím takové řešení není, neznají jej politici, ekonomové ani vědecká a akademická obec, ale akcelerace hledání je z pohledu vyřešení napjatých vztahů společenských nutná. Mnohá řešení podle mého názoru nabízí spíše literatura sci-fi, ale sci-fi je i přesvědčování o nutnosti změny povahy lidských, resp. mezilidských vztahů a nový pohled na dělbu času mezi prací a jinou společensky prospěšnou činností a času osobně disponibilního pro sebe sama či rodinu.

67

SHRNUTÍ KAPITOLY Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace.

KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Která revoluce rozběhla nejvýznamněji technický pokrok? 2. Čím přispělo osvícenství k rozvoji oborů techniky? 3. Co je potřeba k tomu, aby vznikali objevy a vynálezy?

ŘEŠENÍ

Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské činnosti, ve kterých hrají stroje, přístroje a nástroje dominantní roli.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ

Uveďte historické příklady kdy o technické inovaci či novém objevu rozhodovali historické souvislosti

68

7 OD SDÍLENÍ ZKUŠENOSTÍ K VĚDĚ (OD EMPIRIE K TEORII) CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak kuriózní, někdy zdlouhavá a někdy i náročná je cesta poznání. Je možná cesta od experimentu k teorii, ale i opačný postup od sestavení principů teorie a často zdlouhavému a náročnému postupu její ověřování a potvrzování. Získáte znalosti o historických souvislostech a metodice tvorby nových poznatků, které praktické ověření zařazuje do kategorie přírodních zákonů a Znalosti technických zákonitostí.

Získané vytvoří základní obraz o významu techniky a přístrojů i v oblastech, které jsou zdánlivě technice nezávislé a tvoří spíš páteř tzv. humanitních Dovednosti oborů.

KLÍČOVÁ SLOVA Historie techniky, inženýr, antičtí myslitelé, matematik, filosof, umělec,

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 4 hodiny.

69

Obrázek 7.1 Platón (427 ÷ 347)

Na rozdíl od antropologicky a materialisticky zaměřené filosofie techniky, která techniku vnímá jako důsledek činnosti (práce) člověka, sociologický přístup zkoumá techniku jako výsledek mentální (myšlení) činnosti člověka12. Američan J. Fllul mystifikuje úlohu techniky ve vývoji společnosti a věnuje osobitnou pozornost popisu rozdílů mezi charakteristikou techniky a strojů, „Stroj je historicky prvním vzorem pro techniku, bez strojů by nemohl vzniknout svět techniky“13. Zřejmě to dnes není názor zajímavý, je nutno brát v úvahu, že věda generuje širokou plejádu názorů a podle mého názoru, právě zkušenost je přirozeným metodickým postupem selekce poznatků.

Mimo duchovného života člověka se již v neolitu vyvíjeli i technické zručnosti a znalosti, což můžeme nazvat dnešním slovníkem jako technický pokrok. Řemeslné zručnosti se museli sdílet a „progresivní nositelé technických znalostí a zručností“ je učili další nové generace. Po vzniku písma se prováděl i jejich písemný záznam. Rozvoj písma podstatnou měrou podpořil vznik městských států v Mezopotámii, Egyptě a Indii, kde již před 5 500 lety hindský učenec Panningriše v Attrituvarume vynalezl papír z palmové dřeně a na psaní používal břidlicový psací kamínek (grifl), olej a saze. Je zajímavé, že již v Helénském světě v roku 650 ÷ 300 před n. l., přírodovědní poznání předstihovalo techniku. Prvými představiteli přírodních věd byli řečtí filosofové SOKRATES, PLATÓN, ARISTOTELES, později EUKLIDES, HEROFILOS, ARISTARCHOS, ARCHIMEDES z Kirény, APOLLÓNIUS z Pergy a HIPPARCHOS. Sokrates je filosof, který příštím generacím nezanechal ani řádek. Je však známo, že byl učitelem dalšího výjimečného myslitele Aristotela, který ve věku 41 roků vychovával 13. letého dobového „vládce světa“ Alexandra Velikého Makedonského (356 ÷ 323 před n. l.). Známí je Sokratův výrok: „Vím, že nic nevím“. Atény byli Mekkou filosofů a Alexandrie centrem „přírodních věd“. Vznikli tu základní studie z matematiky, mechaniky, astronomie, botaniky, zoologie a medicíny. Již Aristoteles poznal princip páky, definici rovnováhy a princip kladkostroje. Ovládal zákonitosti ozubených kol a šroubu. Euklides byl jeden z významných řeckých matematiků a svoje poznání a poznatky starších řeckých matematiků, popsal ve 13 svazkové učebnici Základů geometrie. Zásadní význam pro geometrii mělo poznání o součtu úhlů ve trojúhelníku a o shodě geometrických útvarů. Zformuloval první poučky teorie čísel a základní principy geometrické optiky. Pojem Euklidovská geometrie se používal víc jak dvě tisíciletí a je synonymem klasické geometrie. Kolem roku 570 před n. l. žil v antickém Řecku Pytagoras (filosof a astronom), který je považován za zakladatele řecká matematiky. Považoval číslo za podstatu všech věcí. Zformuloval základní definice matematické teorie čísel, objevil systém prvočísel, popsal matematické řady a vypracoval teorii o úměrnosti. Podle něj je pojmenovaná Pythagorova věta, která vyjadřuje poměr stran pravoúhlého trojúhelníku. Tyto poznatky pravděpodobně znali evropští stavitelé megalitických staveb a učenci v Mezopotámii. Označil Zemi jako kouli, která se otáčí kolem centrálního „ohně“ (slunce). Jako první použil termín filosofie (fileó = láska; sofia = moudrost) a sám sebe označil jako přítele moudrosti. TÁLES z Milétu, všestranný badatel přírody a filosof (zemřel v Řecku v roku 547 před n. l. ve věku 78 let), považoval vodu za pralátku, z které vše pochází. Připisuje se mu první

12 13

Duda E., Technika vo svete člověka, Nakladateľstvo Pravda, Bratislava, 1986, 75-032-86 Ellul, J., The technological Society, New York 1964, s. 25 - 26

70

Obrázek 7.2 Demokritos z řeckého Abdéra - přírodní filosof a spolutvůrce atomismu

použití výrazu physis k označení vnějšího světa. Svým učením o oživení hmoty (hylozoizmus, anebo hylopsychizmus) vysvětloval např. přitažlivé síly magnetů, či třeného jantaru. Chápal geometrii ploch, které matematicky abstrahoval. Rozpracoval a rozvinul teorii čar, jako čistou geometrii. Podle něj je pojmenovaná Tálesova věta (všechny úhly, sestrojené nad průměrem kružnice jsou pravé). Toto pravidlo však bylo známo již dřív u Babylóňanů. Opsal magnetické síly, název„magnet“ zvolil podle naleziště magnetické rudy v Lidském Magnéziu. Zformuloval geometrické zákony používané k výpočtu trojúhelníku, plochy kruhu a výšky pyramid. Opsal Zemi jako kotouč plávající v oceánu (v roku 570 před n. l. Anaximandros z Milétu načrtl kruhovou mapu Země.

Teodoros z ostrova Samos (kolem roku 532 před n. l. převzal z orientu poznatky o soustruhu, poznatek datovaný do období cca 3000 před n. l.), znal olovnici, zámek dveří ovládaný klíčem (Egypt cca 2000 před n. l.). V Řecku zavedl odlévání kovů metodou „ztracené voskové formy“ – vytavitelný model. Odléval velké odlitky s neobyčejně tenkými stěnami. Zavedl goniometrii do matematiky a vynalezl broušení drahých kamenů. Využil hygroskopické vlastnosti dřevěného uhlí, a jeho pomoci vysušil podlahu chrámu bohyně Artemis v Efezu. V roku 480 před n. l. v Efezu zemřel významný přírodní filosof Herakleitos. Jeho filosofický pohled na svět, přisuzoval klíčový význam „praohni“ a vycházel z principu jednoty protikladů. Položil základ dialektického výkladu světa. Po roku 470 před n. l. filosof Leukippos jako první zřetelně zformuloval zákon příčinné souvislosti. Jeho žák Demokritos z Abdéry (narozen v roku 470 před. n. l.) definoval atom – řecky nedělitelný. V r. 322 před n. l. zemřel ve věku 62 let řecký přírodovědec Aristoteles (384 ÷ 322). Napsal osm knih fyziky, čtyři knihy o nebi, dvě o vzniku a zániku, čtyři knihy meteorologie a desetidílný velký živočichopis. Fyziku chápal jako učení o přírodě a změně. Položil základy dělení přírodních věd na: mechaniku, chemii a biologii. Jako první se zmínil o ozubeném kole. Tvrdil, že předměty se pohybují ve směru jejich „přirozené podstaty“ – „kámen je těžký, proto padá“, „je v přirozenosti ptáka, že létá“. O 2 tisíce let později se začali dělat pokusy s pohybujícími se předměty, které zpochybnili jeho názory. Kolem roku 320 před n. l. shrnul fyzik, botanik, chemik a lékař Teofrastos z Efesu přírodovědní poznatky svých časů. Popsal např. získávání rtuti rozmícháním rumělky (sirník rtuťnatý) s octem ve měděné nádobě a stejně tak i proces pocínování železa a výrobu olověné běloby (do nádoby naplněné octem se vloží olovo, octové páry reagují s olovem a vytvoří na stěnách nádoby usazeninu, která se seškrábe a přeseje). Sestavil návody na zpracování kůží výtažkem z kůry alpské borovice, olše a z plodů granátových jablek, žaludů apod. Opsal karbonizaci dehtu a briketování dřevěného uhlí se smolou, nebo dehtem jako pojivem. Archimédes zemřel roku 212 před n. l. probodnut římským vojákem při obsazování Syrakus. Zaobíral se hlavně zákony mechaniky. V matematice dospěl k diferenciálnímu počtu. Psal o objemu koule, kužele a válce, geometrii kruhu, konoidu (vzniká rotací křivky kolem osy), rotačního elipsoidu a sféroidu. Vypočítal hodnotu čísla π. Známá je jeho věta: „Dejte mi pevný bod a já pohnu Zemí“, kterou vyslovil při objevení zákonů páky. Důležitá je jeho konstrukce vodního čerpadla, kterou pojmenovali Archimédovým šroubem. Zjistil, že síla vztlaku se rovná hmotnosti vytlačené kapalinou (Archimédův zákon) - v praxi se používá při určování hmotnosti látek, při konstruovaní plavidel a plovákových zařízení. Po tomto objevu údajně zvolal to pověstné heuréka (mám to). Svým dílem: “Základy mechaniky“, natrvalo ovlivnil směřování této disciplíny. Objevil Archimédovu spirálu, která vzniká rotací bodu, vzdalujícím se od osy rotace o stejnou hodnotu při každé otáčce. 71

Obrázek 7.3 Klaudios Ptolemaios

V roce 170 n. l. zemřel v Canopu při Alexandrii Klaudios Ptolemaios (obr. 8.3). Byl posledním významným antickým přírodovědcem. Proslavil se spisy o matematice a astronomii. Hlavním tématem jeho knihy „Almagest“ je tvrzení o geocentrizmu. Zemi považoval za středobod celého vesmíru a kolem ní obíhající Slunce, Měsíc a hvězdy. Tento pohled na svět vyvrátil až Mikuláš Koperník (1543). V díle „Geografiké hyfégésis“ podal návod na tvorbu map. Další jeho práce byli věnované optice a akustice. Odvodil nové matematické vztahy a objevil zákony lomu světla.

V období renesance se většinou spájejí s technikou a uměním. Vzniklo spojení umělec-inženýr. Pojem inženýr pochází z latinského ingenium, pod kterým se rozumí duch, duševní síla, schopnost, nadání, rozum a talent. Věda - technika - umění splynuli do jednoho celku. Příčina byla pragmatická. Italská vladaři chtěli demonstrovat svou kulturní úroveň. Obrovské bronzové sochy jezdců mohli vzniknout jen díky spojení umělecké tvořivosti a technických poznatků (statika, slévárenství). Nepřekonatelným ztělesněním takové jednoty byl Leonardo Da Vinci. Podle všeho prvním významným renesančním inženýrem byl ital Mariano di Jakobo (1382 ÷ 1453), nazývaný Archimédes ze Sieny, který vzbudil pozornost svými dvěma rozsáhlými technickými spisy „De ingeniis“ a „De machina“. Tyto bohatě ilustrované rukopisy obsahují mnoho příkladů praktických strojů a přístrojů používaných v řemeslech a na stavbách. Dalším významným umělceminženýrem byl Filippo Brunelleshi (1377 ÷ 1446), stavitel vodních opevnění, sochař a vynálezce, objevitel obecní perspektivy. Charakteristickým znakem ducha té doby byla jakási bezstarostnost a absence klíčového zájmu o praktickou realizaci navrhovaných řešení (vychází i z velkorysosti těch, kteří většinou objednané objevy financovali). Sám Leonardo Da Vinci se vyjádřil větou: „Kdo miluje praxi bez teorie, je jako námořník, který vstoupí na loď a neví, kam jeho loď plave, ale zároveň je potřeba uznat, že stejně lehkomyslný je i ten, co má možnost perfektně navigovat, ale plave na lodi, která se může kdykoli potopit“. Objevené poznání se většinou zachovalo jen v úzkém kruhu zájemců. Tento stav se náhle změnil v letech 1465 ÷ 1470, když do Itálie proniklo „tajemství“ knihtisku. Lidský intelekt se vymanil z pout středověké dogmatické scholastiky a tak člověk přestal uznávat formální bariéry praktických možností. Již v roku 1472 vyšlo ve Veroně první vytištěné technické dílo od Roberta Valturia, roku 1487 vyšlo dílo „De architektura libri X“ od M. V. Polia, což veřejnosti znalé čtení, umožnilo studium souhrnu poznatků architektury a strojírenství od časů císaře Augusta, čímž ovlivnilo další rozvoj inženýrství. Od počátku 16. století vycházeli v Evropě knihy nejen v latině, ale i v národních jazycích a tak se stali dostupnějšími širšímu okruhu lidí bez vyššího vzdělání. Po vydání italské knihy „Pirotechnica“ od Vannocia Birringucia v roku 1540 se významně rozšířila po celé Evropě a po roku 1557 německé vydání základního díla o hornictví a hutnictví Georgia Agricolu, „De re metallica“ (o rok dříve vyšla v latině). Mikuláš Koperník roku 1510 popsal heliocentrický systém, podle kterého Země s ostatními planetami obíhá kolem Slunce a zároveň se otáčí kolem svojí osy rotace. Toto učení zveřejnil ve svém nejznámějším díle, „De revolutionibus orbium coelestium“ (O pohybech nebeských těles).

72

V roku 1609 v Itálii objevil Galileo Galilei, že dráha vrženého tělesa má parabolickou dráhu, čímž vlastně objevil zákon volného pádu. Před rokem 1618 udělal mnoho objevů ve fyzice a astronomii, podpořil Kopernikovo heliocentrické učení Popsal použití hodinového kyvadla u hodin a vyslovil tezi, že stejně dlouhá kyvadla kmitají stejnou rychlostí, nezávisle od své hmotnosti a nezávisle od úhlu výchylky kyvadla. Objevil zákon volného pádu a zákon setrvačnosti. Zformuloval teorii přílivu a odlivu. Zdokonalil dalekohled, kterým objevil čtyři Jupiterovi měsíce, Saturnovy prstence a fázi Venuše. Jako dvorní matematik toskánského velkovévodu, se dostal do sporu s katolickou církví. V roku 1633 byl přinucen svá tvrzení odvolat a zůstat izolován v domácím vězení – oslepl, ale navzdory tomu se dál zabýval matematikou a fyzikou. 15. Listopadu 1630 zemřel ve věku 58 let v Řezně astronom Johanes Kepler rodák z Weilu. Ve svých dílech, „Nová astronomie“ (Astronomia nova seu Physica coelestis - 1609), „Harmonie světa“ (Hormoniae mundi libri V - 1619) a „Náčrt Kopernikovské astronomie“ (Epitomae astronomiae Copernicanae - 1619÷1622), potvrdil heliocentrický obraz světa. Publikoval i poznatky z optiky a v roku 1611 zhotovil astronomický dalekohled. V roku 1650 zemřel ve Stockholmu francouzský přírodovědec a filosof René Descartes (Renatus Castersius), autor slavné rozpravy o metodě (Discours de la méthode). Mimo teoretických spisů vytvořil množstvo matematicko-fyzikálních definicí (o energii, o teorii přirozeného vývoje sluneční soustavy odvozené z vířivého pohybu částí kosmické hmoty). Je jedním ze zakladatelů analytické geometrie. Vytvořil systém pravoúhlých souřadnic (kartézských). Text jeho knihy, „… místo spekulativní filosofie možno objevit i filosofii praktickou, která nás učí poznat sílu a působení ohně, vody, vzduchu, hvězd, nebes a ostatních těles tak zřetelně, jak poznáme různé nástroje našich řemeslníků, aby jsme je mohli použít ke všem pracím, ke kterým se hodí a tím se stát pány a vlastníky přírody“. 12. srpna 1662 zemřel Blaise Pascal, matematik, fyzik a filosof. Zkonstruoval první počítačový stroj, který prováděl dva úkony. V roku 1647 objevil zákon o spojených nádobách, vyvinul barometr. Výsledkem jeho bádání v matematice se stal „Pascalův trojúhelník“ - tzv. binomický koeficient – důležitý pro teorii pravděpodobnosti (r. 1654). Vyslovil tzv. Pascalův zákon, což je základní zákon hydrostatiky. V r. 1662 nezávisle od sebe zformulovali britský fyzik Robert Boyle a Francouz Edme Mariotte zákon, který podle obou objevitelů dostal název Boylův-Mariottův zákon, základní zákon kinetické teorie plynů (objem plynu je nepřímo úměrný jeho tlaku). V roku 1666 se Isaac Newton - vesnický šlechtic, věnoval základním fyzikálním pokusům a objevil tzv. korpuskulární (částicový) charakter světla. Dospěl k závěru, že bílé světlo se skládá z barevného spektra, mýlil se však v tom, že barvy vytvářejí částečky světla jiného druhu. Zformuloval zákon o přitažlivosti. Věnoval se alchymii - chemii, matematice, fyzice a teologii. Mechaniku obohatil o tři základní zákony dynamiky, zákon setrvačnosti, zákon zrychlení a gravitační zákon. Uvedl je roku 1687 ve svém díle, „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ - Matematické principy přírodní filosofie). Vytvořil tak systém soudobé fyziky, jako kvantitativní vědy. Gravitačním zákonem vysvětlil Keplerovu mechaniku pohybu planet a Galileův zákon volného pádu. Zkonstruoval zrcadlový dalekohled a zformuloval důležité zákony aerodynamiky a akustiky. V roku 1671, ve stejném čase jako němec G. W. Leibniz, definoval základy diferenciálního počtu (Leibnicova symbolika se používá dodnes a rovněž objevil dvojkovou soustavu, vyjádření jakéhokoli čísla pomoci dvou, tedy nuly „0“ a jedničky „1“). 3. března 1703 v Londýně zemřel Robert Hooke fyzik a přírodovědec pracující na mnoha fyzikálně-technických konstrukcích (např. mikroskop). Měl velice napjatý vztah s Newtonem. Jeho nejvýznamnějším poznatkem je poznání přímé úměrnosti 73

působící síly a způsobené deformace tělesa, zákon je dnes po něm pojmenovaný a v mechanice velmi frekventovaný - (1678). Mimo jiné, je i konstruktérem prvního aritmetického počítacího stroje. Obrázek 7.4 ANTOINE de LAVOISIER (1743 ÷ 1794) - francouzská dobová rytina

V roku 1703 švýcarský fyzik Johann Bernoulli popsal teorii pohybu v poli vnějších sil čímž popsal přírodní zákon, nazval jej „principem zachovaní všech živých sil“. Jeho označení živých sil, bychom dnes mohli považovat za kinetickou energii. Zákon zachování energie, jako jeden z nejdůležitějších zákonů zachování hmotnosti, hybnosti, momentu hybnosti a elektrického náboje, se stal základem technické mechaniky a moderní filosofie přírody. V roku 1738 švýcarský fyzik Daniel Bernoulli zveřejnil svoje dílo, „Hydrodynamika“, ve kterém prezentoval matematickou teorii vodních a věterných kol, vodních čerpadel a vodních vrtulí. Poprvé rozeznával hydrostatický a hydrodynamický tlak. Vyslovil myšlenku reaktivní síly lodní vrtule - využívající principu zpětného odrazu, kterou chtěl pohánět lodě a vytvořil i kinetickou teorii plynů (molekuly plynu se pohybují různými směry, narážejí na sebe a vzniká tlak plynu, stejný v celém objemu nádoby). V roku 1770 francouzský chemik Antoine Laurent de Lavoisier (obr. 46) zformuloval zákon zachování hmoty. Když ohříval vodu v uzavřené nádobě zjistil, že její hmotnost se nezmění. Ani při chemických reakcích se množství hmoty nemění. Jako první rozkládal elektrolýzou vodu na kyslík a vodík. Akcelerace ve výrobě a vývoji nových strojů a technologií nastala až v 18. století. Byla vyvolána celkovým rozvojem techniky a vynálezy v oblasti pohonů. Ke zdokonalování došlo u obráběcích strojů, které byli původně šlapací, výjimečně používající sílu (energii) vodního toku. Svědčí o tom i fakt, že první technická kniha z roku 1701 (Plumier), která opisovala tehdejší výrobní metody a zařízení, byla aktuální ještě i v roku 1800. 23. srpna 1806 zemřel v Paříži Charles Augustin de Coulomb. Svoje nejdůležitější práce věnoval matematickým opisům činnosti různých strojů, jejich pevnosti, statice, tření a kroucení (torzí). Objevil torzní váhy a poprvé s nimi změřil síly elektrických nábojů. Zpozoroval, že elektrický náboj se ukládá na povrchu vodičů. Objevil po něm pojmenovaný základní elektrostatický zákon, který opisuje síly, působící mezi náboji. V roku 1820, dánský fyzik a chemik H. CH. Oersted dokázal, že se magnetická jehla v blízkosti vodičů vychyluje, čímž vlastně založil moderní nauku elektrotechniky a rozšířil ji o teorii elektromagnetizmu. V roku 1822 francouzský fyzik a matematik Jean - Babtiste Jozeph de Fourier se zabýval matematizací vedení tepla - zformuloval základní zákon vedení tepla (v knize „Theorie analytice de la chaleur“ – Analytická teorie tepla). Sestavil tzv. Fourierovy řady, které měli obrovský význam při matematickém zpracování elektromagnetických oscilací (dnes používané jako tzv. Fourierovy transformace, pomoci kterých se obtížnější diferenciální rovnice transformují na algebraické, závislé na frekvenci).

74

Obrázek 7.5 Elektromagnetické spektrum, (ilustrační obrázek)

Georg Simon Ohm z Erlagenu roku 1826 definoval zákonitost, která Obrázek 7.6 Charles dala elektrotechnice nové základy. Jeho formulace vztahu mezi Wheatstone napětím, elektrickým proudem a odporem se dnes nazývá Ohmův zákon. V roce 1826 francouzští fyzici a technici Jean Victor Poncelet a Gasperd Gustave de Coriolis zavedli do mechaniky pojem práce. Definovali ji jako součin síly a dráhy. Zavedení pojmu „práce“ pomohlo odstranit nejasnosti, které se do té doby objevovali v teoretické mechanice (Bernouli ji označoval jako energii (1717), Young jako živou sílu (1807)). V roku 1827 švédsky biolog Robert Brown objevil nepřetržitý pohyb nejmenších částic v kapalinách, tzv. Brownův pohyb. Je to vlastně tepelný pohyb molekul kapaliny, které se prudce a nepravidelně pohybují a srážejí. Anglický továrník Joseph Whitworth v roku 1841, vypracoval jednotnou soustavu šroubových měr. Uspořádal tvary a stoupání závitů - tuto soustavu později nazvali BSW (British Standard Whitworth) a v Anglicku se udržela jeden a půl století. Roku 1835 si dal patentovat čelní soustruh, který měl takový úspěch, že si jeho vynálezce mohl zřídit fabriku na výrobu obráběcích strojů. Vynalezl délkoměr, kterým se měřilo s přesností tisíciny palce. Německý lékař J. R. Mayer (1842) zformuloval poučku o ekvivalenci tepla a práce, „Ve všech případech, když teplem vzniká práce, spotřebuje se na její vznik úměrné množství tepla a naopak, spotřebou této práce možno vyrobit odpovídající množstvo tepla“. Dokázal, že energie je ve všech formách nezničitelná, možno ji měnit z jedné formy na jinou (zákon zachování energie). Angličan Charles Wheatstone (1843) vynašel impedanční odporový můstek, nazývaný dnes podle něj Wheatstonov můstek. Do té doby se elektrické napětí i odpor měřili nepřímo, měřením elektrického proudu. V roku 1854 zemřel v Mnichově německý fyzik G. S. Ohm, který zformuloval zákon, který se dnes nazývá podle něj Ohmův, U = I. R (el.napětí = el.proud x el.odpor). Anglický fyzik James Clerk Maxwell (1865); zformuloval teorii, podle které je světlo elektromagnetickým vlněním. Maxwell vycházel z toho, že elektrické kmity a světelné vlnění se šíří pomoci změn okolního média = éteru. V podstatě je tento poznatek správný, proces šíření vln probíhá však bez toho zprostředkování éterem, jako dokazuje teorie relativity. Ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendelejev (1869) a německý chemik Lothar Meyer nezávisle na sobě objevili periodicitu chemických a fyzikálních vlastností v pořadí atomových hmotností chemických prvků. Na základě toho Mendělejev předpověděl existenci do té doby neznámých prvků. Všech známých 63 prvků seřadil do pořadí tak, že prvky se stejnými oxidačními čísly seřadil pod sebou a zjistil, že chemické látky takto seřazené, se chovají podobně. Řádky takto sestavené tabulky prvků tvoří periody a s rostoucími atomovými hmotnostmi se vlastnosti látek periodicky mění. Na

75

základě periodicity vlastností mohl Mendělejev předpokládat vlastnosti ještě neobjevených prvků, např. galia, skandia, germania…, jeho předpovědi jak je známo se potvrdili. V roku 1887 H. Hertz německý fyzik, experimentálně dokázal existenci elektromagnetických vln, které pak teoreticky popsal anglický fyzik J. C. Maxwell (1865). Vygeneroval elektrické kmity s vysokou frekvencí (do 300 000 000 kmitů za sekundu) a sledoval přeskoky jisker na galvanicky napojeném jiskřišti. Zkoumal jejich vznik a parabolickou anténou se mu podařilo je přenést na vzdálenost víc jak 10 metrů (vyzařování elektrické síly, jak to nazýval - bylo ono objevené elektromagnetické záření). Již koncem 19. století se dostává do popředí vzájemná součinnost jednotlivých přírodních věd a techniky. Iniciátory tohoto pohybu byli spíše technici a zárodky tohoto vztahu je potřeba hledat na univerzitách, kde se zřizovali speciální týmy na vývoj přesných přístrojů (proces velice podobný dnešní situaci v Evropské částicové laboratoři CERN v Ženevě). Průmyslová výroba totiž potřebovala mnohem víc specializaci jako věda. Technika se v tomto období rychle specializovala, co si vyžádalo zakládání nových oborů vědy. Průmyslová výroba tím výrazně ovlivnila vědeckou specializaci (vznikali typické „inženýrské“ vědy, jako nauka o materiálech, části strojů, různé technologie apod.). Na konci 19. století znamenalo toto úsilí v Evropě a USA, zaměření na pragmatické využití vědeckých poznatků. Marie Curie Sklodowska (1867-1934) spolu s manželem uskutečnili průkopnický výzkum v oblasti radioaktivity. V roce 1898 objevili aktivitu thoria a nové chemické prvky polonium a rádium. Separovali je ze smolince dovezeného z Čech. Po čtyřleté práci izolovali asi desetinu gramu tohoto silně vyřazujícího stopového prvku. Zkoumali vlastnosti radioaktivních paprsků a Marie založila odbor radiochemie. Byla odměněná dvěma Nobelovými cenami, ale zemřela na anémii vyvolanou radioaktivním zářením. O. W. Walkhoff v roce 1900 zjistil, že rádiové záření může ničit biologickou tkáň. Jak se později ukázalo, rádium emituje 3 druhy záření: α - cca 75% absorbuje jej vzduch i tuhá tělesa, β - cca 20% podobné katodovým paprskům, ale pronikavější a γ – cca 5%, velmi silné a pronikající záření (pronikne i tlustým plátem ocele). V tom čase vypracoval Max Planck kvantovou teorii. V roce 1910 britský fyzik Ernst Rutherford sledováním záření α zjistil, že částice alfa jsou vlastně atomy hélia bez elektronů. Studiem periodického systému prvků zjistil, že nejjednodušší kladně nabité částice se skládají z vodíkových jader a nazval je protony. Obrázek 7.7 Albert Einstein

2. srpna 1939 napsal Albert Einstein (Obrázek 7.7) americkému prezidentovi Franklinovi Delano Rooseveltovi a informoval ho o tehdejších poznatcích z oblasti štěpení atomových jader, o výzkumech Enrika Ferniho a Curieových z Francie a konstatoval, že již tehdy známé poznatky umožní brzkou realizaci řetězové reakce štěpení atomových jader, které uvolní obrovské množství energie, což znamená možnost výroby nukleární bomby. Einstein upozorňoval na nízké zásoby uranu v USA a na známé zásoby v tehdejším Československu a Belgickém Kongu. Nabídl americkému prezidentovi spolupráci pro urychlení výroby bomby. Upozornil na to, že Německo zastavilo prodej uranu z Československých dolů, které získalo obsazením Čech a Moravy.

76

Americký matematik Norbert Wiener vydal svoji nejznámější knihu v roku 1948, „Cybernetics or Control of Communication in Animal in the Machine“ (Kybernetika nebo řízení a oznamování v živých organizmech a strojích). Založil kybernetiku (kybernetik v řečtině znamená - řízený). Kybenetizace vede k samoregulaci systémů řízených počítačem.

ZÁVĚR Na závěr se vrátíme k úvodní otázce modulu: „Umíme žít bez strojů?“ Z uvedeného historického výčtu a uvedené velmi stručné retrospektivy o strojích a jejích součástech, můžeme konstatovat, že člověk bez strojů nežije a ve svojí psané historii ani nikdy nežil. To je však jediný prvek charakteristiky člověka a lidstva, který nás vyčleňuje z okolní přírody a její přirozenosti. Lidská technika je však bytostně závislá na přírodě a jejich zdrojích, jak motivačních (většina našich strojů, mechanizmů a nástrojů má svou alternativu v živé přírodě biologických druhů a jejich druhové organizace), tak materiálních a energetických. Tento jediný rozdíl od zbytku pozemské přírody nám podle mého názoru nedává právo se chovat, co by vládcové přírody (už i proto, že vše co považujeme za své poznatkové dědictví, vzniklo pozorováním a porozuměním přírody v širším slova smyslu – přírody Země a přirozenosti viditelného Univerza kolem nás). Vymýšlejme k přírodě a lidem ohleduplné stroje, jež umožní udržitelnost lidské společnosti a minimálně stejnou měrou i udržitelnost alespoň dnešního stavu přírody!

77

SHRNUTÍ KAPITOLY Odvěkou ambicí člověka je objevování a zkoumání nového nepoznaného. Jeho motivem je zvědavost, ale i nepoznané dobrodružství spojené s „cestou světem nepoznaného“. To je zajisté spojené i se strachem a spojení zvědavosti a strachu je zdrojem adrenalinu, po kterém mnozí lidé doslova touží – což je ono dobrodružství. Překonané dobrodružství posiluje odvahu a nutí k akceleraci činnosti spojené s adrenalinem a pocitem uspokojení, resp. u mnohých i pocity štěstí.

KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Pokuste se charakterizovat inženýrskou činnost? 2. Která historická doba mimo současnost, byla nejplodnější pro vznik technických principů a jejich matematického zdůvodnění funkčnosti? 3. Proč rozvoj obchodu přispěl ke znalosti technického řešení neznámých mechanizmů a strojů? 4. Jak se stává empirie (praktická/laboratorní) zkušenost teorií? 5. Jaká instituce se dnes stará o nové objevy, eviduje je a chrání proti neoprávněnému zneužití?

ŘEŠENÍ

Zdůvodněte, jak funguje „systém“ STROJ – NÁSTROJ – ČLOVĚK a co může přinášet do studnice poznání lidí.

ÚKOLY K PROCVIČENÍ

Uveďte historické souvislosti vzniku ozubení a hodinových strojků. Pokuste se nakreslit, jak mohla vypadat první ozubená kola a ozubené hřebeny, případně drážkované čepy hřídelů.

78

SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÁ LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Blatný, R., Napoleonská encyklopedie, Aquarius, Praha, 1995, ISBN 80-902062-0-4. Bonnet, H., Traction Engines, Shore Publications, London, 1994, 32 s., Das große Buch den Verkehr Prag: ARTIA, 1989, 230 s., Derry, T. K., Williams, T. I., A short History of Technology, Oxford University Přes, New York, 1961, 782 s., Duda E., Technika vo svete člověka, Nakladateľstvo Pravda, Bratislava, 1986, 75-032-86, Ellul, J., The technological Society, New York 1964, s. 25 – 26. Nardini, B., Leonardo da Vinci, Tatran, 1990, 199 s. Grepl, J., Malec, Z., Spolehlivost systémů (Návody na cvičení), SNTL Praha, 1986, VUT Brno, 412-33754

9. Novák, M., Šebesta, V., Votruba, Z., Bezpečnost a spolehlivost systémů, ČVUT Praha, 2003, ISBN 80-01-02807-0 10. Palmer, D., James, N., Sparrow, G., Štěstí a sláva (Příběhy největších archeologických dobrodružství v dějinách), Fortuna Libri, 2009, ISBN 978-80-7321-48-2, 11. Paturi, F. R., Kronika techniky, Bratislava, Fortuna print,1993, 654 s., 12. Polášek, J., Číslicově řízené stroje, elektronická učebnice VOŠ, SOŠ a SOU Kopřivnice, Projekt OPVaK č. CZ.1.07/1.1.07/03.0027 13. Ponický, P., Technika a technologie v životě lidí, WPOP6 – Technologie znovu objevená perspektiva, Workshop k popularizaci výsledků výzkumu a vývoje v přírodních a technických oborech, Projekt CZ1.07/2.3.00/45.0019, s. 18 – 19 14. Přírodní vědy, technika a lékařství, In. Dějiny věd a techniky č. 5, ročník 33, Praha 2000, 15. Rumíšek, P., Automatizace (roboty a manipulátory), skriptum FSI VUT Brno, 2003 16. Vasilko, K., História a vývoj techniky, Prešov 2014, ISBN 978-80-553-0875-3,

INTERNETOVÉ ZDROJE 1) www.uniedu.vutbr.cz/ 2) www.vychova-vzdelavani.cz/ll1401/studie_pecina 3) epedagog.upol.cz/eped2.2002/clanek02.htm 4) www.ped.muni.cz/…12/elearning/oborova_didaktika.pdf 5) www.nuov.cz/…s_prezentace_konf_TTnet_14_10_2009.pdf 6) www.miller.wz.cz/diops/1a.doc 7) http://blisty.cz/art/31743.html 8) www.siov.sk/ext_dok-dop/16351c 9) www.stuba.sk/…acoviska/icv/skriptum_didaktika_1.doc 10) www.siov.sk/…dok-didaktika_odborneho_vycviku/16353c 11) www.pulib.sk/…ub/dokument/Lukac1/subor/Schubert.pdf Všeobecně známé obrázky nejsou citovány. Jedná se o takové informace, které jsou obecně známé, nezpochybnitelné, popřípadě snadno ověřitelné ve všeobecných publikacích (encyklopedie nebo základní učebnice). 79

ČÁST B Pracovní aktivity pro žáky a studenty Společenský vývoj, společenské změny jsou znakem „vlády rozumu“, tj. osvobození od různých omezení vytvářených jak lidmi samotnými tak praktickým pozorováním a zvládnutím přírodních procesů kolem nás. Tato svoboda otevírá prostor pro osvobození práce v materiální sféře lidského bytí. Tak je vytvářen prostor pro tvůrčí sebeuplatnění/sebeuspokojení, čím se snad potlačuje vliv pouhé „vnější“ nutnosti přežití a stává se vnitřní potřebou člověka (jakýmsi požitkem života) v němž mizí protiklad mezi prací a volným časem14. Tímto způsobem je možno charakterizovat tvůrčího člověka, což bezesporu patří být charakteristikou vědce, konstruktéra i technologa. Tedy jedním ze zásadních rysů takovýchto lidí je TVOŘIVOST (kreativita). Jednou ze stěžejních úloh společnosti a jejich vůdců je vytváření podmínek pro rozvíjení tvořivosti, ale protože výsledky tvůrčí práce mohou být i zneužity v její neprospěch, musí být i „strážcem“ a ochráncem proti nebezpečnému zneužití poznatků vědy, techniky a technologií. Tvůrčí činnost nepůsobí jen extrovertně, směrem od tvůrce, ale i introvertně, směrem k tvůrci a poskytuje mu uspokojení ze seberealizace a naplnění smyslu života. Aby se v osobnosti člověka vypěstovala touha a schopnost pracovat tvůrčím způsobem, aby měl takový člověk k tvůrčí práci podmínky je potřeba (zejména v systému vzdělávání, tj. v předškolní, školní i postgraduální etapě):  vytvářet a „pěstovat“ sytém vnitřních a vnějších stimulů podněcujících tvůrčí myšlení, tvořivou práci a bránit rozvoji opačných stimulů;  působit na osobnost tak, aby získávala takovou metodickou erudici a znalosti, které by ji umožňovali tvůrčí práci na úrovni známého poznání;  vytvářet takové vnější podmínky, které kreativitu podbízejí či příznivě ovlivňují. V předškolní etapě je to zejména zajištění zdravého fyzického a duševního vývoje dítěte, uspokojování a podněcování jeho přirozené zvídavosti, pěstování mravnosti a estetického cítění a výchovné usměrňování v činnostech rozvíjejících fantazii, vynalézavost a manuální zručnosti. V základní škole a při všeobecně-vzdělávacím působení je to především úkol (pro žáky i studenty), originálně myslet (tj. tvůrčím způsobem) a samostatně rozvíjet své znalosti. Tato obecná formulace nemusí postačovat, proto uvedu jistou míru možné konkretizace pro úroveň všeobecně vzdělávací školy, kam zařazujeme i gymnázia:  vštípit žákům a studentům znalosti charakterizující člověka a jeho rasu a odlišující jej od jiného tvorstva pozemského, tj. společenské, přírodní a technické vědy tak aby je uměli aplikovat a samostatně dále rozvíjet a prohlubovat;  základním znakem úspěšnosti vzdělávání je všeobecné zvládnutí poznatků společenských procesů a pochopení polytechnických principů hmotné stránky života člověka a z tohoto základu pak žáky a studenty diferencovat podle zájmu a schopností;  všech způsobů výuky využívat (teoretické, praktické, laboratorní, vizuální, …) k podněcování tvůrčího myšlení a tvůrčí práce;

14

Votruba, L., Výchova studentů k tvůrčí práci, Studie ČSAV 13 - 84, Academia Praha, 1984, 21 – 061 - 84

80

 vyhledávat talenty a pečovat o nadané žáky a studenty individuálním vedením i mimoškolní zájmovou činností, získávat je pro účast na různých projektech, olympiádách, soutěžích apod. tak, aby se nepřetržitě prolínalo učení se ve škole s objevnou a tvořivou prací;  nepochybné je i to co se dnes vůbec neděje, což je usměrňování žáků a studentů k potřebám společnosti, což ale vyžaduje tyto celospolečenské potřeby znát a to dnes bohužel vláda ani MŠMT nedělají a nezjišťují (z toho plyne neustále narůstající deficit dětí znalých fyzikálních a technických oborů tak nevyhnutných pro vyspělý průmysl a civilizační pokrok);  podporovat tvůrčí přístup spojení teorie a praxe v dílnách a laboratořích;  zařazovat do procesů výuky i odborné exkurze s profesionálním doprovodem tak aby se dokázalo vzbudit zvědavost a touhu po novátorství;  vysílat studenty na provozní praxe do moderních a progresivních podniků, provozů a firem a požadovat po nich zpracování zpráv z praxe, které budou obsahovat kritické hodnocení pokrokovosti provozů;  vyžadovat samostatní ročníkové či závěrečné práce obsahující nový pohled, novou konstrukci, progresivní nápad, což je znakem tvořivosti žáka a studenta.

81

1 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY 1. STUPNĚ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 1.1 Pracovní list č. 1: Jak funguje stroj?

Jméno: Třída:

Datum:

Nejlepším způsobem osvojení nových znalostí je hra, nejlepší motivací Motivace hledání je zvědavost, zájem a radost z dosažených výsledků. A/ Historicky první stroj používaný v průmyslu byl PARNÍ STROJ Popište, jak funguje parní stroj:

Úkol

Učitel spustí za pomoci počítače a dataprojektoru animaci funkce parního stroje.

Žák 1.

Pokusí se identifikovat jednotlivé funkční části parního stroje, jak je vidí na animaci.

Žák 2.

Pokusí se popsat funkci stroje a fyzikálně zdůvodní, proč dochází k expanzi, stlačování, k čemu složí regulátor apod.

Žák 3.

Pokusí se zdůvodnit, proč se dnes již parní stroje nepoužívají, nebo používají spíše jako muzeální ukázky.

82

B/ Co má společného parní stroj a spalovací motor? Popište společné principy obou mechanizmů, popište rozdíly ve fungování obou motorů.

Úkol

Učitel přinese z fyzikálního laboratoria funkční model parního stroje a spalovacího motoru v řezu, nebo použije obrazy z prezentací parního a spalovacího motoru.

Úkol s učitelem

1. Popište činnost parního stroje, 2. Popište činnost dvoudobého nebo čtyřdobého spalovacího motoru

Úkol

3. Charakterizujte jejich společné rysy a vlastnosti 4. Charakterizujte jejich rozdílné rysy a vlastnosti Schémata

Dvoudobý motor + čtyřdobý motor C/ Fosilní paliva a motory? Základem pracovního režimu motorů je spalování nějakého média (uhlí, benzin, nafta, zkapalněný plyn) s využitím tepelné expanze za Vysvětlení pomoci mechanizmů (válec a píst).

Proč je těmto energetickým nosičům říká FOSILNÍ PALIVA?

V čem je rozdílný mechanizmus hoření tekutých a pevných fosilních paliv.

83

Úkol

Úkol

D/ Elektromotory Nejčastěji používaný elektromotory

motor

pro

pohony

mechanizmů

jsou

Dokážete popsat princip činnosti elektromotorů a případně popsat rozdíly mezi jednotlivými druhy

Situace

Úkol

Schéma

Jednosměrný elektromotor

Popis činnosti krokového motoru:

E/ Závěr Učitel vysvětlí fyzikální podstatu ÚČINNOSTI a žáci se pokusí sestavit tabulku účinností zmiňovaných motorů a zdůvodní jejich použití v průmyslu, dopravě či energetice.

84

Úkol s učitelem

2 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY 2. STUPNĚ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 2.1 Pracovní list č. 2: Z čeho se stroj skládá?

Jméno: Třída:

Datum:

Zkušenost a paměť nám nejvíce pomáhají při opakovaných činnostech, Motivace například řemeslných. A/ Obrábění je nejčastější technologií a elektromotory jsou asi nejčastěji používanou pohonnou jednotkou strojů a často i nástrojů. Rozeberte na montážní díly jednoduchý stroj – vrtačku.

Úkol

Učitel přinese na hodinu starou a může být i nefunkční ruční vrtačku

Pokusí se rozebrat, nebo otevřít prostor s pohonným mechanizmem ruční vrtačky.

Žák 1.

Učitel přinese na hodinu starou a může být i nefunkční elektrickou vrtačku

Pokusí se rozebrat, nebo otevřít prostor s pohonným mechanizmem elektrické vrtačky.

Žák 2.

85

B/ Z jakých součástí se skládá stroj - vrtačka? Popište, funkční části vrtačky (jako obráběcího stroje provozujícího technologii třískového zpracování – vrtání):

Na rozebrané vrtačce (ruční a elektrické) ukažte a popište její konstrukční prvky (stator, rotor, hřídel, ozubená koly, ložiska apod.) a pokuste se nakreslit jejich schéma (obrázek, ze kterého by byla jasná jejich funkce).

Úkol

Úkol

C/ Skutečně jsou pohony klíčem ke konstrukci strojů? Transformace energií a přeměna různých typů pohybů je podstata Vysvětlení činnosti lidmi zkonstruovaných strojů.

a. Jaký typ pohonů se uplatňuje při vrtání? b. Jak dochází k transformaci energií - při ruční vrtačce?

Úkol

- při elektrické vrtačce? D/ Závěr Učitel vysvětlí fyzikální podstatu KONSTRUKČNÍCH ČINNOSTÍ a způsobů a významu dokumentování a pro dokumentování důležitých znalostí a zručností, jako je znalost fyzikálních principů strojů (ověřuje jejich znalost u žáků), výpočty fyzikálních veličin s mechanizmy související, technické kreslení a způsoby provedení dokumentace a jeho softwarová podpora.

86

Úkol s učitelem

2.2 Pracovní list č. 3: Energetické soustrojí (typickým znakem strojů je, že jsou v závěrečné fázi produktem montáže, která musí zaručit jeho stoprocentní funkčnost a přesnost, což je složitý a náročný proces)

Jméno: Třída:

Datum:

A/ Výukový blok před venkovním cvičením 1/ Příprava konstrukce prvků energetického soustrojí Z jakých částí se musí skládat budoucí soustrojí a) TURBINA – vodní kolo vyrobené z dřeva, plastu, plechu b) Převodový mechanizmus rotačního pohybu vodního kola na mechanizmus energetické transformace (mechanický pohyb/elektrická energie) = ohebná pružina nasunutá na čep hřídele vodního kola c) PŘEVOD ENERGIÍ = elektrický generátor, dynamko jehož hřídel je spojen ohebnou pružinou s čepem vodního náhonu d) SPOTŘEBIČ = žárovka, nebo měřicí přístroj, kterým odměříme velikost a charakter vzniklé energie

Úkol

Doprovodní vysvětlující text: Typy vodních kol Vodní kola jsou rotační stroje, které prošly dlouhodobým vývojem a díky snaze našich předků se postupně vyvinuly téměř k dokonalosti. Jejich další vylepšování zastavil vývoj a používání vodních turbín. Kola na spodní vodu  korečníky – využívající převážně potenciální energie vody (kinetická energie se využívá k nátoku do kola)  lopatníky – využívající převážně kinetickou energii vod Podle nátoku vody jsou kola s nátokem:  spodním  středním  vrchním 87

KOLA SE SPODNÍM NÁTOKEM Střikový hřebenáč - nejjednodušší kolo tvořené rovinnými lopatkami uchycenými na jeden a více věnců. Voda je na lopatky přivedena tak, že se pustí spodem pod mírně přizvednutým stavidlem (případně jen žlabem o velkém spádu) a proudem se opře do lopatek kola. V první fázi voda naráží do šikmo se nořící plochy lopatky a vybíhá takřka až k jejímu konci a předá jí tak část své pohybové energie. Pak se v druhé fázi gravitací vrací zpět dolů, čímž jí znovu předává část své energie. Z lopatky voda odtéká dolů nebo pokračuje po proudu. Účinnost je díky využití pouze kinetické energie vody, jednoduchému tvaru lopatek a způsobu výtoku z kola velmi malá. Při dobrém provedení je 20 až 30%. Používá se na nejnižší spády (do 1m). Často se používalo na plovoucích (pontonových) elektrárnách (lodních mlýnech). Obrázek tohoto kola je na úvodní stránce.

Ponceletovo kolo - jde o vylepšenou konstrukci hřebenáče podle návrhu francouzského inženýra J. V. Ponceleta. Hlavní změna je v upravení nátoku úklonem stavidla proti proudu, tvaru plochy lopatek pro lepší nátok, předání energie a výtok s minimem ztrát. Použít ho lze na spády až do 1,7m, ale používá se stejně jako u hřebenáče pro spád od 0 do 1m a průtoky do 5m3/s. Princip předání energie je stejný s hřebenáčem, ale díky vylepšení s účinností 30 – 65%.

Zuppingerovo kolo s voletem (nízkospádové) - pro spády od 0,6m do 1,5m a průtoky až do 5m3/s. Voda je přivedena ke kolu otevřeným žlabem s požadovaným sklonem k dosažení patřičné nátokové rychlosti. Kinetickou energii pak předá vhodně tvarované lopatce a zbylou část cesty kolem využívá potencionální energie vody. O rozdíl hladin se sveze níž v prostoru mezi lopatkami a volně z něj zase vytéká do dolní vody. Účinnost se pohybuje od 70 do 75%.

88

KOLA SE STŘEDNÍM NÁTOKEM Zuppingerovo kolo s přepadem - jedná se o podobné kolo jako v předešlém případě, ale mění se zakřivení lopatek a nátok do kola. Voda natéká mezi lopatky přepadem přes regulační stavidlo a dosahuje tak jistého počátečního zrychlení. Předá získanou kinetickou energii lopatce a dále již využívá pouze její potenciální energii stejně jako v předešlém případě. Přesné rozmezí mezi jednotlivými Zuppingerovi koly není, ale nátok s přepadem se navrhuje pro spády od 1 do 3m a průtoky od 0,04 do 3,5m3/s. Účinnost je 70 až 75%. Zuppingerovo kolo má velký rozsah působnosti a je v současnosti spolu s kolem na horní vodu nejčastěji navrhovaným kolem. Bachovo kolo, Zuppingerovo kolo s kulisou - nátok do kola je skrze kulisu, která usměrňuje paprsek vody do požadovaného vstupního úhlu na lopatku. Navrhuje se, když jsou vstupní hodnoty spádu a průtoku tak na hranici mezi ostatními typy nátoků Zuppingerových kol a kolem na horní vodu, což je přibližně na spády 1,5m až 4,5m a průtok 0,3 až 1,5m3/s. Důvodem jeho použití namísto zmíněných kol je, že má v uvedeném rozmezí větší účinnost oproti kolům se spodním nátokem. Účinnost se udává 70 až 85%.

89

KOLA S VRCHNÍM NÁTOKEM S normálním chodem - kolo s nejvyšší účinností (75 až 86%) rovnající se i jednodušším typům turbín. Nevýhodou je jeho malá hltnost, takže ho použijete spíše na potoce. Používá se pro spád nad 2,5m a průtoky od 0,1 do 0,25m3/s. Jsou ale případy i daleko za těmito hranicemi. Limitující je opět ekonomický faktor a konstrukční možnosti materiálů. Používají se i kola nad deset metrů spádu a průtoky kolem 0,6m3/s. Horní hranice je však omezena výkonem asi 50kW, ale nad 25kW je určitě dobré zvážit investici do malé turbínky. Princip je nám všem dobře znám z pohádek. Jedná se o klasické vodní kolo, kde žlabem je přiváděna voda nad kolo a proudem vytvořeným sklonem žlabu nebo výtokem pod stavidlem umístněným na konci žlabu, výtokem kulisou u dna nebo přepadem, padá do jeho komůrek. Gravitace pak vykoná své a voda předá svou potenciální energii. V druhé polovině cesty se voda postupně vylévá z komůrek ven. Účinnost kola rychle klesá při brodění se kola v dolní vodě, proto se navrhuje několik centimetrů nad ní. S obráceným chodem - stejně funguje i toto kolo, ale otáčí se protisměrně, tedy proti směru přítoku vody žlabem. Voda ze žlabu do něj padá otvorem ve dně žlabu a je kulisou usměrňována do protisměru. Kolo se navrhuje pro spády 3 až 7m a průtoky 0,1 až 0,25m3/s na jeden metr šířky. Účinnost je o trochu nižší, než u předešlého typu a pohybuje se od 70 do 80%. Výhodou obráceného chodu je vyšší účinnost při vzestupu dolní vody a brodění kola v ní. 15

15

Informace o vodních kolách převzaty z http://www.vodnikola.cz/typy_vodnich_kol.html

90

2/ Vyrobení vodního kola a příprava všech potřebných součástí malé vodní elektrárničky Co k závěrečné montáži potřebujeme? Úkol

Vodní kolo

Výběr typu kola a zhotovení dokumentace

Výroba kola

Ohebný hřídel

Nákup, výroba, nebo použití z jiného přístroje

Přizpůsobení konců pro připojení na čepy elektrického generátoru a hřídele vodního kola.

Elektrický generátor dynamko

Nákup či použití z nějaké stavebnice, jízdního kola či z fyzikálních pomůcek na škole již vlastněných.

Ověření funkčnosti.

Univerzální měřič napětí

Použití z fyzikální laboratoře pro experimenty z oboru elektrotechniky

Ověření funkčnosti.

Žárovku Měděné oplášťované vodiče

Ověření funkčnosti. Výpůjčkou z fyzikální laboratoře spolu s propojovacími svorkami.

Ověření funkčnosti.

B/ Výukový blok na venkovním cvičení 3/ Montáž a realizace energetického soustrojí v Váš závěr po realizaci:

Váš odhad na začátku cvičení:

A.

Vyhledání vhodného vodního toku

B. Nalezení vhodného vodního toku

C.

Úprava toku, příprava konstrukce pro ustavení vodního kola (turbiny)

D. Postavení vodního kola a ověření pohyblivosti

E.

Spojení čepu hřídele vodního kola s hřídelem dynamka

F.

G.

Připojení vodičů a žárovky / měřicího přístroje k soustrojí

H. Ověření funkčnosti energetického soustrojí, výroba elektrické energie přeměnou mechanické práce na e-energii.

91

Funkční spojení uvedených dvou montážních skupin / ověření přenosu krouticího momentu.

4/ ZÁVĚR Jak byste fyzikálně popsali a zdůvodnili veškeré transformace, ke kterým dochází u uvedeného soustrojí?

1. Energetická transformace:

2. Energetická transformace:

92

Úkol

3 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY STŘEDNÍCH ŠKOL 3.1 Pracovní list č. 4: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic

Jméno: Třída:

Datum: A/ Výukový blok stavby strojů

Nejlepším způsobem osvojení nových znalostí je hra, nejlepší motivací hledání je zvědavost, zájem a radost z dosažených výsledků.

Motivace

A/ Sestavte STROJ Podle manuálu konstrukce sestavte mechatronický stroj/přístroj:

Stavebnice Lynxmotion AL5D 4DOF Robotic Arm SSC-32U Combo Kit (RIOS)16

Úkol

Příslušenství:

Robotická ruka s 5 stupni volnosti, vhodná k výuce i pro zábavu. Studentský Obsahuje řídicí modul SSC-32U, řízení pomocí PC přes USB rozhraní. Součástí je tým 1. software RIOS-02, dosah 260mm, nosnost 365g, napájení 6V, stabilizovaný zdroj je součástí. Polohování modelářskými servy Hitec 1x HS-422, 1x HS-475HB, 1x HS-645MG, 1x HS-755HB, 1x HS-805BB. Stavebnice obsahuje mechanické díly, spojovací materiál, serva, řídící elektroniku, napájecí zdroj, software a kabel k počítači. Doporučené rozšíření - rotace zápěstí WRU-LW, WRU-HD na záložce.

16

http://coptel.coptkm.cz/index.php

93

Stavebnice BIOLOID je produktem korejské firmy Robotis: V současné době se jedná o 4 úrovně vybavení těchto stavebnic. Jednotlivé úrovně nesou názvy:  Základní (Beginner Kit)  Pokročilý  (Comprehensive Kit)  Premium  Expert. Stavebnice obsahují kompletní vybavení pro sestavení robotů. Robot se skládá z několika základních částí. Srdcem a mozkem je řídící jednotka se zdrojem elektrické energie v podobě akumulátorů. Řídící jednotku představuje jednočipový mikrokontrolér Atmel 128 od výrobce Atmega. Pohony, popř. modulem AX-S1, svaly robotů představuje jednotka servo pohonu AX-12. Zpětná vazba polohy natočení, snímač teploty, proudu a napětí, nastavení parametrů pohonu. Smyslové orgány jsou reprezentovány snímači v modulu AX-S1, který je osazen rovněž zařízením pro generování tónů. AX-S1 je umístěn ve stejném pouzdře jako AX-12 ale AX-S1 neobsahuje motor. AX-S1 Obsahuje IrDA komunikační modul 3 IR Studentský reflexní snímače (levý, pravý a přední) používané pro měření vzdálenosti a tým 2. intenzity světla. Mikrofon a piezo-electrický reproduktor použitý pro reprodukci hudebních tónů a jednoduché generování zvuků. Samotné pohyby se vytvářejí jednoduše formou vedení robota a ukládání jednotlivých pozic do sekvencí v programu "Motion editor". Kontrolovat a měnit parametry základní řídící jednotky a pohonů k ní připojených je možné prostřednictním programu konzoly. Připojení k PC je pomocí RS232 a speciálního komunikačního kabelu. Jednotka CM-5 může být doplněna o modul bezdrátové komunikace a ZIG-100. Pro zdatnější programátory, znalé jazyka C, je možné využít přímého zápisu ovládacího programu na elementárnější úrovni s využitím např. free programovacího nástroje AVR GCC Editor. Stavebnice LEGO Robotický manipulátor ze stavebnice Lego EV3 Studentský Základem nového systému Mindstorms je kostka EV3, vybavená novým výkonnějším čipem ARM9 s 16 MB flash paměti, která umí komunikovat se tým 3. zařízeními vybaveným Androidem nebo iOS. Hlavní novinkou verze EV3 je možnost využití veškerých možností robota bez nutnosti jeho připojení k počítači. 94

Zatímco předchozí verze Mindstorms bylo nutno připojovat k počítači a naprogramovat, nová verze EV3 vše zvládá pouze s pomocí iOS nebo Android aplikace. Kostka je však samozřejmě vybavena i USB portem a slotem pro SD karty. Základní sada lego Mindstorms bude obsahovat konstrukční díly a návod ke stavbě 17 robotů a podle informací výrobce bude dostupná za cca 350$.

Další použitelné stavebnice:

Modulární stavebnice a jejich spojování např. LabVIEW + MotorKIT

95

3.2 Pracovní list č. 5: EXKURZE

Jméno: Třída:

Datum: Výukový blok EXKURZE

1/ Navštivte velký průmyslový komplex s robotickými komplexy, automatizací, nebo energetické zařízení – například elektrárna Temelín. Pozorujte, ptejte se na: a) Výrobní stroje (základní technologická jednotka je místem aplikace strojů), b) Výrobní linka (uspořádání výrobních jednotek s výrobními stroji), c) Uspořádání výroby (technologický profil a příspěvky strojů výkonnosti výroby), d) Obslužní systémy (údržba, hospodaření s nářadím apod.)

Úkol

2/ Napište esej o tom, co jste viděli a co vás zaujalo?

Zaujalo mě:

Stroje: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

96

Úkol

3.3 Pracovní list č. 6: Čerpadlo – strojová součást domovní/bytové výbavy Jméno: Třída:

Datum:

Výukový blok POROZUMĚNÍ principům činnosti a výkonu strojů: Použití animace:

Použití obrázku:

1/ Voda je jednou z nejdůležitějších součástí přírody i života člověka – jak funguje? Sledujte, ptejte se a pochopte: a) Funkci podle animace, b) Funkci podle schématu.

97

Úkol

2/ Napište esej o tom, co jste viděli a jak to technicky funguje. Stroj: ČERPADLO

Úkol Funkce:

Součásti/prvky: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

98

4 PRACOVNÍ LISTY S ODBORNÝM TEXTEM V ANGLICKÉM A ČESKÉM JAZYCE 4.1 Machines, historical machines and technical devices At the time, when a human lived in a pack, he helped himself with various kinds of tools. Using tools and available procedures he started to make up simple mechanisms and then even simple machines. People applied a logic hierarchy from the simple to the most difficult - more sophisticated machines were set - first machines were powered by natural forces, later on by energy from basic physical laws (mechanics, electrodynamics, magnetism, conductivity and so on). First "scientific" knowledge period can be traditionally divided into three basic groups: stone age, Bronze Age and Iron Age. In today Turkey there was found evidence of using bronze from the year 6200 before Christ; in Australia, native people lived their "stone age" until recently. First human tools were made of stone. Another major raw material was animal leather and it lasted until ancient period and the invention of woven canvas. First boats were small boats chiselled into wood logs (these boats were major traffic until new roads were made in ancient time). First fused metal was copper, later on in alloy with tin = bronze. First major civilisations were Chinese and Egyptian. There were found arrows from 9000 before Christ in America. In that time people in Mesopotamia started to deal with agriculture. In this part of world a wheel was invented - it happened apparently 3000 years before Christ. In India people used bricks for building houses as early as 2500 years before Christ. Around 1500 years BC (before Christ) people in ancient China used bronze and learnt to weave silk. "Chetit" culture people started to use metal as the first, around the year 1500 BC, later on this knowledge came to Africa, especially to Egypt and Nigeria. Paper was invented in China, as well as gunpowder, seismoscope, magnetic needle and compass. Ancient Chinese contributed significantly to a medicine development - they invented acupuncture for nerves stimulating. New farming crops were introduced in ancient period and water management made a big progress too. Romans used concrete for the first time and used construction cranes. Arabs invented astrolabe, they draw detailed maps of star sky used in navigation. Arabian constructor used water power, gear and animal power. In 4000 BC there are first mentions about using animal power. It is a significant outbreak in a history of technology. Tamed animals have even bigger power than a man has. First harnesses were made of ropes and were fixed to animal´s horns; but for animals this way was very cruel (picture nr. 6). Around the year 1950 BC were heavy loads transported on a sleigh in Egypt and Assyria (the oldest document of a wooden sleigh, where there is seen a statue transportation this statue is of about 60 tons - this sleigh were dragged by 182 men).

99

For the slides slide better the track was poured with water which created mud. Assyrian people also used log wood which were put beneath the slides which changed slide movement into rolling-like. In the 4000 BC probably the biggest invention ever is started being used - a wheel, which don´t have an alternative in the nature (Scarabeous beetle rolls a blob, a spider has got a blob on his bottom with offspring, insect moves with help of lever-like legs). Sumerian people started to use wheeled vehicles (sometimes it is said that it was in India) - the exact dating is uncertain. In Europe the wheel is known from about 3000 years BC. The wheel was probably invented after an accidental cut of s tree, which was used as a support for a heavy burden. First milestone of using natural power (wind) is river transportation (and maybe also sea transport) in Mesopotamia. In 5 thousand years BC were first sailboats constructed, ships and sails are both made of papyrus. Such ships were in fact not able to drown, because papyrus straws are hollow. Méchanikos The most important "technician-inventor" of the first hundreds years of AD (Anno Domini After Christ Period) was a Greek HÉRON from Alexandria (10-70 AD), also known as Méchanikos. Méchanikos can be consider as a certain "godfather" of robotics. He invented an automatic slot machine for a ritual catharsis, which used to stand in front of the temple entrance (after throwing a coin into the slot, the coin fell down into a bowl at the end of a rocker, the other was connected with a valve, which was opened after a coin dropped down and it ejaculated water, which was used as a ritual water for washing hands and face before entering the temple). Leonardo da Vinci Apart from the fact that Leonardo is an author of probably the most well-known painting in the world - Mona Lisa (picture is placed in the Louvre Gallery) - he also solved various technical problems by unusual ways; very famous are for example Leonardo´s propulsions. He is probably the inventor of conical screw, rolling, cell chain, rope and belt transmission and an universal joint. Leonardo altered the clock construction, so that the rope connected to the weight goes also through the cone, which diminish its radius and the weight power stand constant - the clock thus works better. Leonardo also created a mechanical lion and he presented it to the French king. This toy can walk, stand on its back legs and give flowers - it is powered by a spring. There is also a very famous Leonardo´s ship´s propeller. A curious one is automatic mechanism which can rotate roasting meat - this invention is based on use of hot air coming out from the fireplace.

100

Výkladový slovník pojmů Anglicky

Česky

AD (Anno Domini)

našeho letopočtu

Assyria

Asýrie

blob

kulička, hrudka

bronze Age

doba bronzová

burden

břemeno

catharsis

katarze, očista

concrete

beton

cone

kužel

crane

jeřáb

drag

táhnout, vléct

gunpowder

střelný prach

hollow

dutý

invent

vynalézt, objevit

lever

páka

load

náklad

offspring

potomstvo

power

síla, energie

propeller

lodní šroub

propulsion

pohon

raw material

surovina

roll

valit se, rolovat se

rope

lano 101

Slovník pojmů

sail

plachta

sailboat

plachetnice

sleigh

sáňě

spider

pavouk

statue

socha

stone Age

doba kamenná

straw

stéblo

temple

chrám

valve

ventil, ventilek

weight

váha, závaží

wheel

kolo

switch

spínač

movable contact

pohyblivý kontakt

actuating mechanism

ovládací mechanizmus

plunger

píst

toggle switches

páčkové spínače

102

4.2 Stroje, historické stroje a přístroje Po celou dobu kdy člověk žil v tlupě, pomáhal si za pomoci různých nástrojů. Za použití nástrojů a odzkoušených postupů později sestavoval jednoduché mechanizmy a z mechanizmů jednoduché stroje. Lidé aplikovali logickou hierarchii od jednoduššího, ke složitějšímu – začali vznikat složité soustrojí, využívající přírodních sil a energií, později i energie využívající základních zákonů fyziky (mechanika, elektrodynamika, magnetizmus, vodivost apod.). Nejstarší období, ve kterých můžeme hovořit o prvních „vědeckých“ poznatcích dělíme na kamennou dobu, bronzovou a železní dobu. V dnešním Turecku se našli důkazy o používání mědi z roku 6200 před n. l., v Austrálii měli domorodci ještě donedávna dobu kamennou. První lidské nástroje se vyráběly z kamene. Druhou nejvýznamnější surovinou byli zvířecí kůže, až do starověku a vynálezu krosen a tkaného plátna. První lodě byli čluny vydlabané do kmenů stromů (nejdůležitější doprava do vybudování prvních udržovaných cest ve starověku). Prvním taveným kovem byla měď, později ve slitině s cínem = bronz. Prvními klíčovými lidskými civilizacemi byli čínská a egyptská. V Americe se našli šípy z roku 9000 př. n. l. V tom čase se v Mezopotámii začali lidé věnovat zemědělství. Tato část světa dala světu kolo – zřejmě kolem roku 3000 př. n. l. V Indii již kolem roku 2500 př. n. l. lidé používali k výstavbě cihly. Asi 1500 roků př. n. l., lidé starověké Číny používali bronz a naučili se tkát hedvábí. Železo začali používat jako prví Chetiti, zřejmě kolem roku 1500 př. n. l., později se tyto znalosti dostali do Afriky, zejména do Egypta a dnešní Nigérie, (tzv. nocká kultura). V Číně byl vynalezen papír, střelný prach, seizmoskop, objev magnetické jehly a zhotovení kompasu je místně přísluho také Číně. Pravěkým Číňanům patří zásluha o rozvoj medicíny, například akupunktura na stimulování nervů. Ve starověku se mohutně rozšířilo pěstování nových hospodářských rostlin a s tím spjaté vodohospodářství, Římany poprvé praktikované použití betonu, jejich konstrukce stavebních jeřábů apod. Arabi vynašli astroláb, kreslili přesné mapy hvězdní oblohy používané při navigaci. Arabští konstruktéři používali při užití energie tekoucí vody, ozubená kola a pohon za pomoci zvířat. Ve 4. tisíciletí před n. l. je známé první využití síly zvířat. Je to významný přelom v dějinách techniky. Zkrocené zvířata, mají podstatně větší sílu jako člověk. První postroje pro ovládání a nošení byli z upletených lan, které byli upevněné na rohy zvířat, pro zvířata byl tento způsob nesmírně namáhavý (obr. 6). Již kolem r. 1950 před n. l. se těžké náklady v Egyptě a Asýrii, přepravovali na sáních (nejstarším dokumentem dřevěných saní, kde je vidět přepravu sochy zobrazuje převoz sochy vážící asi 60 tun, sáně tahalo 182 mužů). Aby se dřevěné skluznice lépe klouzal, polévala se kluzní dráha vodou čímž se vytvářelo bláto, což snižovalo kontaktní tření. Asýrčani podkládali pod skluznice dřeva (nejlépe kulatinu, která měla změnit kluzní tření na valivé). Ve 4. tisíciletí před n. l. se začíná používat snad největší objev lidstva – kolo, které vlastně nemá alternativu v živé přírodě (brouk skarabeus koulí kuličku, pavouk má na zadečku kuličku s potomstvem, hmyz se pohybuje pomoci pákových nohou). První vozy s koly se začali nejdříve používat u Sumerů (někdy se uvádí i Indie) – přesné datování je velmi nejisté. V Evropě je kolo 103

známé asi od 3. tisíciletí před n. l. Kolo se zřejmě vyvinulo po náhodném odstřižení kmene stromu, který byl podložen pod těžké přepravované břemeno. Prvním mezníkem ve využití přírodní síly (vítr) je doprava po řekách (a možná i po moři) v Mezopotámii. V 5. tisíciletí před n. l. se stavějí první plachetnice, lodě i plachty jsou z papyru. Byla prakticky nepotopitelná, protože papyrusové stébla jsou dutá. Méchanikos Nejvýznamnějším „technikem vynálezcem“ prvních století našeho letopočtu byl řek HERÓN z Alexandrie (10 - 70 n. l.), přezývaný Méchanikos. Mohli bychom jej považovat za jakéhosi „kmotra“ robotiky. Vynašel placený automat na rituální očistu, který stál před vchodem do chrámu (po vhození mince do štěrbiny, mince dopadla do misky na konci vahadla, druhý konec vahadla vedl k ventilu, který se při dopadu mince otevřel a vystříknul vodu, kterou si člověk omyl tváře a ruce, a mohl očištěn vstoupit do svatostánku). Leonardo da Vinci Mimo to, že Leonardo je autorem snad nejznámějšího člověkem namalovaného obrazu (Mona Lisa umístěná v galerii v Louvru), řešil různé technické problémy velmi originálním způsobem, mezi tyto originální řešení patří i pohony. Je údajným vynálezcem kuželového šroubu, válečkového ložiska, článkového řetězu, lanového a řemenového převodu, a univerzálního kloubu. Leonardo upravil konstrukci hodin tak, že lano spojené se závažím přechází ještě přes kužel, čímž zmenšuje jeho poloměr a zatěžující síla zůstává konstantní, tak vylepšil mechanizmus hodin poháněných závažím. Leonardo vyrobil mechanického lva a předvedl jej francouzskému králi. Tato hračka chodí, postaví se na zadní a podává květy, je ovládána pružinou. Mezi Leonardovými návrhy vzbuzujícími zájem je i lodní pohon pomoci šroubu, dnes nazývaného lodního šroubu. Zajímavostí je automatický mechanizmus na otáčení masa v krbu při pečení, založený na využití horkého vzduchu stoupajícího z ohniště.

104

5 DOPLŇUJÍCÍ ANGLICKÝ TEXT 5.1 How toggle switches function

CHAPTER 5

TOGGLE SWITCHES* Toggle switches are the workhorses of switch technology. Favored for their rugged simplicity (Fig. 5.1), toggle switches are used extensively in a wide variety of applications ranging from consumer electronics to complex, multipole, space vehicle requirements. Consisting of (a) a mechanical operator which initiates switch operation, (b) a set of low-resistance metal (usually silver) contacts that make or break the electric circuit, and (c) the switch mechanism itself, linked to the mechanical operator, which opens and closes the contacts, toggle switches, with their visible mechanical actuator, provide an unambiguous indication of switch status to the operator. *Numbers in parentheses indicate items in the References at the end of this chapter.

FIGURE 2.1 Toggle switches are rugged, highly reliable devices. (Courtesy of Micro Switch,

HOW TOGGLE SWITCHES FUNCTION

Freeport.)

As depicted in Fig. 5.2, toggle switches uti1ize an actuator, the operator interface, to trigger the internal mechanism which changes the switch state. Different manufacturers design this internal mechanism in a variety of ways, but aH devices operate in basically the same way. Some manufacturers choose to design the entire internal mechanism including contacts, while others attach one or more precision snap-action switch module s (Chap. 2) to an actuating mechanism all within the same package (Fig. 5.3). For the reasons explained in Chap. 1, toggle switch manufacturers produce switches with two basic break mechanisms:  Slow make-slow break  Quick make-quick break Slow Make - Slow Break This mechanism is usually identified with ac applications because its relative slowness provides enough time delay for the ac wave to go through its zero energy level, at which point the contact arc is extinguished. The teeter-totter mechanism depicted in Fig. 5.2 is typically associated with the slow make-slow break type of mechanism. This type of mechanism usually has face-to-face contacts, referred to as butt contacts.

105

Ouick Make - Ouick Break The quick make-quick break mechanism is significantly different from the slow make-slow break mechanism. The quick make-quick break style uses additional motive power, such as that provided by a compression-type spring (Fig. 5.4), to produce a snap-action response which quickly separates the contacts. This mechanism is particularly useful in de applications where swift extinguishing of the are is dependent on very fast contact separation. This type of mechanism is associated with wiping-action FIGURE 2.2 A switch actuator (the "toggle") contacts. [Adapted from (1)] operates the internal switch rnechanisrn. (Courtesy of Eaton Corporation, Milwaukee, Wis.)

Positive-Action Switches A third type of break mechanism, although not as comrnonly used as the slow make-slow break and quick makequick break types, is worthy of mention. Used primarily in mi1itary equipment, this type is referred to as the positiveaction switch and is essentially a hybrid of the slow make-slow break and quick make-quick break mechanisms. Operation is by a toggle lever assembly (Fig. 5.5) which is mechanically linked to the movable contact member to ensure positive make and break.

What is the purpose of this positiveaction mechanism? If the contacts weld during usage and it is of utmost importance that they be opened, the positive-action mechanism cause s a mechanical break and lightly welded contacts are separand. Like the quick make-quick break type of switch, the speed of the moving contacts is independent of the actuating mechanism. Once contact movement is started, the motion cannot be stopped before the switching action is completed. The switch mechanism combines both butt and wiping action contact, providing advantages for both ac and dc load applications. (1) FIGURE 5.3 The switching mechanism of this special-design toggle switch is a precision snap-action module.

(Courtesy of Otto Engineering, lne., Carpentersville, /ll.)

106

FIGURE 5.4 A quick make-quick break toggle switch mechanism. (Courtesy of Eaton Corporation,

Milwaukee, Wis.)

FIGURE 5.5 A positive-action switch mechanism. (Courtesy of Eaton Corporation, Milwaukee, Wis.)

Actuating Mechanism

Movable Contact

Toggle switches are available with from one to eight poles. Typical toggle switch terminal configurations and associated schematics are shown in Fig. 5.6. The figure depicts a style of toggle switch which uses precision snap-action modules as the ba sic switch technology and has one actuator design which is adaptable for use with either single or multiple snap-action modules. Momentary Action Although toggle switches are primarily used as an altemate action type of contact in which the switch is in either one position or another until changed by the operator, some toggle switches also feature momentary action positions in which switch contact is maintained as long as the operator holds the actuator lever in the maintained position. As soon as the actuator lever is released, an internal spring-Ioaded mechanism moves the actuator back to a neutral position and contact at the momentary position is broken.

107

ČÁST C METODICKÁ PŘÍRUČKA Metodická příručka má jak didaktickou funkci, protože se zpravidla nejedná o aplikaci modulu na specializovaných technických školách, tak i druhou funkci popisnou (jistá forma nápovědy pro praktickou realizaci výuky) učitelům zpravidla bez specializovaného technického vzdělání. Co je však nutno říct, že zvládnutí jakékoli technické discipliny není představitelné bez praktického procvičení „teoretických“ znalostí a není možné bez aplikace a použití alespoň jednoduchých nástrojů, pomůcek, přístrojů, mechanizmů, materiálů a technologických postupů. Bez takovéto praxe není možno pochopit PROCES (procesy) a bez jejich pochopení je není možno rozvíjet, jejich stagnace nebo dokonce úpadek znamená úpadek průmyslové výroby a bez ní je těžko představitelný sociální a kulturní rozvoj soudobé přetechnizované lidské společnosti (většina lidí si neumí a asi ani nechce představit návrat k jednoduchému životu ve studených obydlích s fyzicky náročnou prací za pomoci jednoduchých nástrojů. K aplikaci metodické příručky: Je nutno si uvědomit, že strojová zařízení jsou zkonstruovaná pro výkon popsatelné lidské činnosti, ulehčující fyzickou námahu. Konstrukce každého stroje je limitována schopnostmi konstruktéra a fyzikálními limity působícími v prostředí použití stroje. Způsob aplikace jednoduchého mechanického schématu a jeho uspořádání s jinými mechanickými schématy je prací inženýrů – konstruktérů, znajících velice podrobně prostředí kde stroje budou pracovat, ale také technologické principy jejich vyrobitelnosti (tzv. technologičnost konstrukce). Vývoj nových mechanizmů a návrh uspořádání jednotlivých částí různých strojů je ryze tvořivá práce vycházející z dokonalé znalosti fyziky (zejména mechaniky, elektrotechniky, magnetizmu apod.) a úplné znalosti cílů/cíle, kterého chceme konstrukcí stroje či přístroje dosáhnout (výzkumné tvůrčí procesy a vývoj konstrukce strojů) s využitím všech dostupných teoretických znalostí. Tato činnost je tvořivá a k žádnému technickému řešení, není jediné řešení. Hledá se efektivní řešení (nejlepší z dostupných či známých alternativ), což je ale vždy limitováno schopnostmi profesionálů – inženýrů/techniků. To ovšem znamená, že vlastně není ani jediná možná odpověď na jakoukoli odbornou otázku z oboru konstrukce strojů. Jistě je možno identifikovat jistá typická řešení a jimi se motivovat, nebo je převzít. To je však výhradně v kompetenci konstruktéra stroje. Konstruktér je zodpovědný za jeho předvídatelnou a očekávanou funkci a výkonnost. Způsob řešení funkčních systémů stroje je věcí invence konstruktéra a znalostí omezení fyzikální podstaty mechanického a energetického schématu. Metodika nemůže obsahovat taková limitující omezení, která zamezí tvořivosti konstruktéra, a proto takový materiál vždy obsahuje jen nejdůležitější didaktické principy aplikovatelné při vzdělávání v oboru techniky.

108

DIDAKTIKA TECHNIKY A TECHNOLOGIÍ Oborová didaktika je koordinující a integrující disciplína zaměřená na transformaci odborných poznatků do vyučovacího předmětu. Cílem je získat schopnosti a dovednosti úspěšně organizovat a řídit vyučovací proces v technických a technologických předmětech na základní škole a střední škole. Pro didaktiku je používán i termín technologie vzdělávání. Poprvé v historii označil vyučovací metodu jako cestu, kterou je potřeba projít, aby bylo dosaženo cíle, náš „učitel národů“ Jan Amos Komenský. Ve své Didaktice ukazuje, jak lidský rozum může pochopit neznámé věci následovně:

a) Vzbudíme-li zájem žáka, dosáhneme-li toho, aby k poznávání věcí přistupoval s chutí a pozorně. b) Povedeme-li ho po stupních od věcí blízkých k vzdáleným, od známých k neznámým. c) Budeme-li vycházet ze smyslového poznání, bude-li vyučování názorné. d) Jestliže žákovi budeme o předvedené věci vyprávět, vysvětlovat mu, co to je, odkud a k čemu, kdy, jak, proč se jí užívá. A jestliže toto vysvětlení bude stručné, prosté a srozumitelné. e) Budeme-li vždy postupovat od obecného k zvláštnímu, od celku k částem, jestliže žáka napřed seznámíme úhrnem s celou věcí a potom ji budeme rozebírat po částech. f) Jestliže budeme otázkami často zjišťovat, rozumí-li tomu, co bylo vyloženo, vyzveme-li ho, aby opakoval to, o čem se učil.

Mělo by to fungovat tak, jak to vyjádřil Karel Čapek: „Vzdělání je to, co člověku zbude, když zapomněl vše, čemu se ve škole naučil“. Samozřejmou součástí technického vzdělávání jsou dovednosti, což jsou cvikem získané motorické nebo myšlenkové struktury, které umožňují rychlé a kvalitní provádění určité činnosti. Jde o praktickou aplikaci vědomostí, jsou pochopená a zapamatovaná fakta, osvojené poznatky a vztahy mezi nimi. Výjimečností technického vzdělávání jsou specifické učební pomůcky – stroje, přístroje, nástroje, mechanizmy, materiály skutečně užívané praxí, nebo statické a dynamické modely napodobující reálná zařízení. Toto specifikum je stejnou nutností jako ve fyzice a chemii POKUS či výpočetní příklad, protože vytváří a podporuje důvěru v podstatu fungování přírodních a přirozených jevů kolem nás (nejen na Zemi ale i kosmu).

109

Obrázek 1.1 Diverzifikované schéma odborné didaktiky

Metodické postupy ve výuce techniky a technologií Vyučovacími metodami podle J. Maňáka jsou: I.

II.

Metody z hlediska pramene poznání a typu poznatků – aspekt didaktický: - Metody slovní - monologické (vysvětlování, výklad, přednáška aj.)  dialogické (rozhovor, diskuse aj.)  písemné práce  práce s textem - Metody názorně demonstrační - pozorování předmětů a jevů  předvádění předmětů, činností  demonstrace statických obrazů  projekce statická a dynamická - Metody praktické - nácvik pohybových a pracovních dovedností Metody z hlediska aktivity a samostatnosti žáků - aspekt psychologický:  Metody sdělovací  Metody samostatné práce žáků  Metody problémové  Metody badatelské, výzkumné - Metody z hlediska fáze vyučovacího procesu – aspekt procesuální:  Metody motivační  Metody expoziční  Metody fixační  Metody diagnostické  Metody aplikační - Metody aktivizující – aspekt interaktivní:  Diskusní metody  Situační metody  Inscenační metody 110

Didaktické hry  Specifické metody Metody z hlediska myšlenkových operací – aspekt logický:  Srovnávací metody  Induktivní metody  Deduktivní metody  Analyticko-syntetické metody 

III.

Vyučovací metody (z hlediska průběhu vyučovacího procesu) I.

II.

III.

IV.

V.

MOTIVAČNÍ  úvodní – rozhovor, vyprávění, demonstrace  průběžné – aktualizace, ilustrace, pochvala, povzbuzení EXPOZIČNÍ  monologické - přednáška, vyprávění, popis, vysvětlování, instruktáž  dialogické - rozhovor, beseda, diskuse, řešení problémů, projekty, brainstorming (burza nápadů)  demonstrace - laboratorní experiment, montáž, demontáž, pracovní činnost, hra, samostatná práce FIXAČNÍ  opakování vědomostí  nácvik dovedností APLIKAČNÍ  metody samostatné práce  kolektivní pracovní činnost, řešení problémů, řešení technických úkolů DIAGNOSTICKÉ - KLASIFIKAČNÍ  písemné, ústní zkoušky  didaktické testy  výkonové zkoušky Jaký je postup řešení technických problémů (úkolů), projektů, možno popsat následujícím způsobem: 1. Formování technických problémů, úkolů: a) učitel předkládá žákům návrhy úkolů, objasňuje jejich smysl, vyzývá a aktivizuje žáky k nalézání jiných (vlastních) úkolů, případně alternativních řešení b) žáci si vybírají podle svých zájmů, případně navrhují vlastní zadání, diskutují předběžné návrhy – brainstorming (burza nápadů) c) učitel předkládá vzorová řešení některých projektů (předkládá technickou dokumentaci, hotové výrobky, výstupy řešení) d) každý žák (nebo skupina) má stanovený úkol, projekt e) podle potřeby a povahy projektu se provádí ekonomická rozvaha, průzkum trhu apod.

111

2. Práce žáků na technické dokumentaci a) opakování učiva – technologie výroby, pracovní postupy, technické náčrty, výkresy b) konzultace s učitelem, tvorba dokumentace, využití výpočetní techniky 3. Realizace technického úkolu (projektu) ve školní dílně, laboratoři a) samostatná práce žáků, práce podle pracovního postupu a technického výkresu b) průběžná konzultace s učitelem, opakovaná instruktáž, opravy chyb a omylů 4. Závěrečná část - ZÁVĚRY a) vyhodnocení úrovně výsledků realizace projektu – účelnost, jednoduchost, estetická úroveň, použitelnost v praxi, kvalita provedení – kolektiv i učitel b) obecný význam řešení technických problémů, výzkum, vývoj – význam pro rozvoj společnosti, profesní orientace EXKURZE je specifickou formou výuky Exkurze se zpravidla koná mimo prostor školy. Umožňuje žákům vnímat jevy ve skutečném, reálném prostředí. Je vhodným doplněním teoretické i praktické výuky na školách, umožňuje poznávat výrobní proces, organizaci práce, technologickou i konstrukční přípravu výroby, kontrolu výrobků i celkovou atmosféru výrobního pracoviště. Ovšem exkurze nepřipravená a špatně organizovaná může působit také negativně na citlivě vnímajícího žáka. Exkurze by měly být zahrnuty do plánu školy tak, aby žáci během školní docházky poznali alespoň některé dostupné druhy výroby ve správné didaktické návaznosti na učivo. Osvědčují se zejména exkurze do menších provozů, kde se žáci seznamují s celým procesem výroby. Exkurze do velkých továrních hal s vyspělou technikou ukrytou pod ochrannými kryty strojů nesplní svoji náročnou funkci. Exkurze mohou mít intenzivní nebo extenzivní charakter, podle potřeby a hloubky studovaného oboru. Z didaktického hlediska lze hovořit o třech etapách exkurze: 1. Přípravná část – přípravná, teoretická část probíhající zpravidla ve škole. 2. Provedení exkurze. 3. Zhodnocení a využití exkurze při vyučování ve škole. Přípravná část má za úkol seznámit žáky s obsahem exkurze a s objektem, ve kterém exkurze proběhne. Tato část exkurze je velmi významná a její provedení přímo podmiňuje úspěšnost a účinek exkurze. Přípravu žáků předchází příprava samotného učitele. Pokud zvolený objekt nezná, musí se s ním nejprve pečlivě seznámit, případně prostudovat potřebnou odbornou literaturu, zajistit odborného průvodce a s ním domluvit přesný obsah vlastní demonstrace i odborného komentáře. Jde o seznámení s úrovní vědomostí a dovedností žáků zejména proto, aby příliš odborný výklad neměl za následek pokles pozornosti při exkurzi. Při přípravě žáků je vhodné pohovořit o historii podniku, seznámit s jeho současným výrobním programem, s obchodní strategií, případně s úspěchy na mezinárodním trhu apod. Z probraného učiva zopakovat vhodnou část, např. význam konstrukce a technologie výroby, případně principy 112

obráběcích strojů, význam technické dokumentace, náplň některých profesí apod. V přípravné části je možno využít informační videoprojekce, propagačních materiálů vybraného podniku, materiálů z internetu (www stránek) nebo přímo besedy s některým zaměstnancem – podle povahy exkurze. Provedení exkurze předchází obvykle již v objektu podniku nezbytné poučení o bezpečnosti a pravidlech pohybu po pracovištích. Vhodné je (podle velikosti podniku) provést a zajistit celkovou orientaci žáků, třeba pomocí plánu, mapy. Postupujeme zpravidla od přípravy výroby přes vlastní výrobní haly ke konečné kontrole, montáži a expedici výrobků. Velmi vhodné je zařazení krátké besedy s některým zkušeným pracovníkem, případně majitelem firmy. Majitel firmy může objasnit svůj původní podnikatelský záměr, problémy, omyly, úspěchy i rizika podnikání. Žákům je nutno umožnit, aby si mohli dělat poznámky a v závěru mohli formou dotazů upřesnit některé nejasnosti. Vzhledem k pozorovacím schopnostem žáků by neměla být exkurze delší než dvě hodiny. Zde plně platí pravidlo, že někdy méně bývá více. Závěrem celé exkurze je možno pro žáky zajistit předání propagačních materiálů podniku pro usnadnění orientace v některých profesích prováděných v závodě. Zhodnocení a využití exkurze provádíme pokud možno v nejbližších vyučovacích hodinách. Kontrola stavu vědomostí poslouží učiteli jako zpětná vazba. Analýza všech poznatků pomůže doplnit případné nedostatky a tím zvýšit celkový efekt exkurze. Vhodným pohovorem může učitel zvýšit i o profesionálně orientační dopad celé dobře připravené akce. Pro přepravu žáků do místa exkurze a zpět je nutno se seznámit se stávajícími předpisy pro doprovod vzhledem k zajištění potřebné bezpečnosti. V dalším textu je uveden vzorový program exkurze: 1. Teoretická příprava a) Historie podniku, tradice výrobní značky, současný výrobní program – videokazeta, propagační materiály, případně některé výrobky. b) Konstrukční příprava, technické zpracování, výpočty, výkresy sestavení a detailů, volba vhodného materiálu, komplexní činnost projektanta a konstruktéra. c) Technologická příprava výroby – technické zpracování konstrukčních návrhů, výrobní postupy, volba strojů, nástrojů, měřidel apod., činnost technologa. d) Zásobování, plánování – zajištění materiálu, polotovarů, nových strojů, nářadí, měřidel, doprava materiálu, zajištění pracovních sil. e) Výroba – obrábění, tváření, tepelné zpracování, svařování, povrchová úprava apod. f) Kontrola – kvalita a přesnost hotových výrobků, zkoušky, testy. g) Expedice, odbyt, servisní služba.

113

2. Postup exkurze a) Poučení o bezpečnosti, pravidla pohybu v objektu b) Oddělení konstrukce a technologie. c) Dílna pro strojní obrábění s ukázkou strojů řízených počítači, případně komplexní výrobní linka, d) Krátká beseda se členem managementu – ekonomika a strategie podniku 3. Zhodnocení exkurze a) Analýza poznatků žáků s cílem dosažení vyššího efektu. b) Význam pracovní činnosti (profese) pro život člověka i celé společnosti, problémy nezaměstnanosti. c) Význam výroby pro hospodářství státu, srovnání s vyspělými státy Evropy.

114

1. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY ZÁKLADNÍCH ŠKOLY, GYMNÁZIÍ A STŘEDNÍCH ŠKOL Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol a studenty 1. až 3. ročníků gymnázií a středních odborných škol. Rozsah: 10 až 20 hodin Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Možná práce jednotlivce i práce v týmech. Metoda: Projektová výuka: 1. řeší reálnou situaci s reálnými vstupy a měřitelnými výstupy, má praktický poznávací význam, 2. je blízký praktickému životu,

Pokyny pro učitele

3. aktivity projektu na sebe navazují, 4. na plánování a realizaci úkolů se podílí především žáci a studenti, učitel je směřuje a pomáhá; žáci přejímají zodpovědnost za organizaci a výstupy/produkty projektu 5. výsledky projektu jsou prezentovány v rámci školy nebo před odborníky. Pomůcky: manuály, materiály, nářadí, nástroje, přístroje, odborné stavebnice.

V rámci týmů budou studenti interaktivně řešit případové situace ve Vámi vybrané oblasti. Níže jsou popsány jednotlivé kroky, které budou společné pro všechna řešená témata: 1. Výběr tématu – vyberte si technický profil úkolu 2. Sestavení problému – nadefinujte co je cílem řešení úkolu a postup řešení 3. Definice kritérií - nadefinujte kritéria, podle kterých budete hodnotit Vámi vybrané téma a indikátory, které budou kritéria naplňovat. 4. Navržení postupu činnosti a jeho realizace – provedení popisu potřeb (materiálů, nástrojů, pomůcek), navržení posloupnosti činností a způsob jejich realizace (postup práce) a fyzická činnost – provedení práce. 5. Ohodnocení expertním posouzením - ohodnoťte naplnění kritérií na základě stanovených indikátorů dle navržené metodiky. Jednotlivá kritéria budou ohodnocena na 7 bodové škále <-3;3>, kde -3 značí nejhorší stav a 3 nejlepší stav. Výsledky vizualizujte prostřednictvím jednoduchých pochopitelných nástrojů, schémat, výkresů, grafů apod. 6. Interpretace výsledků a tvorba prezentace - výsledky budou vizualizovány ve formě jednoduchých obrázků a schémat a v případě středních škol i prezentovány ostatním účastníkům kurzu s využitím prezentačních nástrojů.

115

5.2 Pracovní list č. 1: Jak funguje stroj? Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol V rámci předmětů: fyzika, technická výchova apod. Rozsah: 2 hodiny Poznámka: Možná práce individuálně nebo ve skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí, tj. učitel a dva spolužáci, možnost přizvání externího experta. Pomůcky: Papír, pero

Pokyny pro učitele

5.3 Pracovní list č. 2: Z čeho se stroj skládá? Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol V rámci předmětů: fyzika, technická výchova apod. Rozsah: 2 hodiny Poznámka: Práce individuálně. Prezentace před hodnotícím učitelem a studenty. Pomůcky: Papír, pero, tabule, verbální výstup.

Pokyny pro učitele

5.4 Pracovní list č. 3: Energetické soustrojí Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol V rámci předmětů: fyzika, technická výchova apod. Rozsah: 6 – 10 hodin Metoda: Příprava v učebně a realizace v přírodě v místě malého vodního toku Pomůcky: nástroje a nářadí, pomůcky a laboratorní přístroje.

Pokyny pro učitele

5.5 Pracovní list č. 5: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníků gymnázií a středních škol V rámci předmětů: fyzika, informatika apod. Rozsah: 20 až 40 hodin Metoda: alternativa laboratorní výuky Pomůcky: různé specializované stavebnice (technika průmyslu, strojnictví, elektrotechniky apod.)

116

Pokyny pro učitele

5.6 Pracovní list č. 5: EXKURZE Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníků gymnázií a středních škol Rozsah: 4 až 8 hodin Metoda: alternativa laboratorní a praktické výuky Pomůcky: Návštěva různých průmyslových firem (nejlépe z okolí například Huyndai v Nošovicích, nebo Auto ŠKODA v Mladé Boleslavi apod.)

Pokyny pro učitele

5.7 Pracovní list č. 5: ČERPADLO – strojová součást domovní/bytové výbavy Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníků gymnázií a středních škol Rozsah: 2 hodiny Metoda: alternativa laboratorní výuky Pomůcky: různé ukázky čerpací techniky a snaha porozumět pracovním režimům tohoto jednoduchého stroje.

117

Pokyny pro učitele