Това е една статия написана от Пол Йоу, интерпретирана от мен с надеждата, че ще ви заинтригува.

Има едно известно твърдение идващо отвъд океана а именно: „ Мощността продава коли, но въртящия момент печели състезания!” Има хора, които смятат това за нелепост. Нека да видим защо.
Независимо дали ни харесва или не, всичко около нас се подчинява на основните физични закони. Добре е, че не е нужно да сме Айнщайновци за да прилагаме тези физични закони в състезанията и тунинга. В литературата, Въртящият Момент (ВМ) се описва като „въртелива или усукваща сила”. Забележете, че тази дефиниция не включва движение. Относно ДВГ, това е просто мярка за усукващата сила получена на коляновия вал. Въртящият момент (ВМ) в тази част на света се измерва в Нютон метри (Нм). Ако забелязвате тук има само две величини – сила (Нютони) и разстояние (метри). От първи поглед може би е странно да се опише „въртелива или усукваща сила” с помощта на разстояние, но един по-задълбочен поглед ще осветли пътя. Ако хванем един вал в едно менгеме и в края му поставим перпендикулярно един прът(рамо) с дължина 1метър и в края на това рамо закачим тежест от 1кг, то ние ще сме приложили 10Нм на този вал. (1кг =9.8 Нютона) Забележете, че валът не се върти въпреки че му е приложен ВМ. Ако пък после заменим еднометровото рамо с 10-метрово такова, то ние ще сме приложили вече 100Нм ВМ на вала но със същата тежест от 1 кг. Както се вижда, големината на усукващата сила варира в зависимост от дължината на рамото и точно това налага да се специфицира мярка за разстояние за точното определяне на силата получена в центъра на вала.


Нека да накараме някой приятел да вземе вала от менгемето и да го задържи в ръце. Ако отново използваме рамото от 1м и тежест от 1кг то той би могъл да задържи вала, но ако използваме 10-метровото такова, то задържането му би било доста по-трудно въпреки , че де факто съпротивата е спрямо същия 1 кг тежест. (Тук сме приели, че рамената са безтегловни). Същият ефект можем да постигнем ако вместо рамо с тежест, в края на вала ние застопорим един динамометричен ключ, настройваме го на 100Нм и приложим сила докато не се чуе „клик”. 100 Нм са си 100Нм, независимо дали са приложени с 100Н сила и 1м рамо или 1Н и 100м рамо. Просто ВМ= (тегло или сила) х (дължина на рамо).


Ако даден ДВГ има максимален ВМ от 100Нм, то тази сила е еквивалентна на окачването на тежест от 10кг(100Н) на рамо 1м, закрепено за края на к.вал или всяка друга комбинация от тежест и дължини на рамото, които умножени дават 100 Нм. Забележете, че само с промяната на дължината на рамото ние можем да поизпотим приятеля в стремежа му да задържи вала. Всеки би казал, че това е обикновен лост! Естествено! Важното е това да се запомни, защото именно лоста е този, който променя нещата (усукващата сила), а зъбната предавка е просто един хитър начин да се прилага лост между два или повече вала.



Да вземем един въображаем автомобил със ск. кутия, притежаваща следните предавателни числа:

1ва - 3.5; 2ра – 2; 3та – 1.5; 4та – 1; 5 та – 0.8; диф – 4.11. Приемаме, че вала от нашия пример е входящия(първичния) вал на скоростната кутия. Ако сме включили на 4-та предавка то един оборот на вх. вал отговаря точно на един оборот на изходящия или все едно имаме един цял вал през цялата кутия. Така, според примера по-горе ние сме окачили 1-метрово рамо с 10кг тежест в другия му край. ВМ на първичния вал съответно ще е 100Нм. Понеже пред. число между валовете е 1:1, то на края на вторичния вал ще имаме също 100Нм. Ако запазим ВМ на първичния вал същия но превключим на 3-та предавка, то на изходящия вал вече ще имаме 150Нм които се получават от произведението на ВМ на входа и предавателното число на тази предавка. На първа предавка на изх. вал съответно ще получим 350Нм. Както се вижда, скоростната кутия ни дава възможност да променяме ВМ чрез промяна на лоста, което е еквивалентно на промяна на дължината на рамото. Благодарение на предавките можем да постигнем какъвто си поискаме ВМ на изходящия вал. С подходящи предавки можем да накараме един стандартен ладов мотор да тегли по наклон композиция от няколко вагона, стига да не бързаме с доставката на превозваната стока.

Нека приемем, че са нужни 10 000 Нютона сила за да се тегли товар по даден баир. Това няма да е проблем и за една лада със 130Нм въртящ момент, даже и на 4-та предавка (1:1). Ако си направим диференциал с предавателно число 23:1, то на полуоските ще получим 130Нм х 1 х 23.1 = 3000Нм.

Една стандартна гума има диаметър около 600мм или 300мм (0.3метра) радиус на търкаляне. Знаейки, че ВМ е равен на произведението от сила и дължина на рамо то, за силата която гумата предава при контакта си с асфалта получаваме: 3000Нм / 0.3м = 10 000Нютона – точно колкото ни е нужно!

Със тези данни можем да изчислим и ускорението на автомобила. Нека първо обаче да разгледаме вторият закон на Нютон, според който ускорението на едно тяло е право пропорционално на силата и обратно пропорционално на масата. Може и F = m x a. (a = F / m). За да намерим големината на ускорението на даден автомобил, трябва да разделим силата в контакта на гумата с асфалта на масата на автомобила.



Нека да изчислим ускорението на ладата. Максималният ВМ на мотора приемам е 130 Нм. На 4-та предавка с отношение 1:1, следователно на кардана имаме отново 130 Нм (приемам без загубите). Диференциала е с пр.число 4.11 то, на полуоските ще получим 534.3 Нм. Диаметъра на колелото е около 602 мм. Радиуса на търкаляне ще е 301мм (.301м). Силата, която получаваме в контактната точка с асфалта ще бъде 534.3 Нм / .301м = 1805 Нютона. Масата на автомобила с водача да е около 1300 кг (1 кг-сила = 9.8 Н) или 12740 Н. Тогава ускорението в G(гравитационната сила) ще бъде силата 1805 Н разделена на 12740Н = 0.14G (повишаване на скоростта с 4.94 км/ч на всяка секунда).

Ако направим същите сметки но за 1-ва предавка (примерно 4:1) то ще видим, че вече в контактната точка с асфалта ще имаме 7100 Н, а за ускорението се получава 0.56G. Очевидно е, че използвахме предавките като лостове за да увеличим ускорението на първа предавка. Това разбира се ви беше известно вече, но сега вече знаете и защо е така.

Сега вече би трябвало да е ясно, че ускорението на автомобил, се определя от теглото му и от силата в контакта на гумите с асфалта, която пък е резултат от ВМ на двигателя и всичките предавки (лостове) между него и асфалта (земята).

Сигурно мислите, че току що сме определили ускорението на автомобила и даже сме го променили чрез предавките без да сме взели предвид мощността. Излиза, че момента наистина е определящия фактор, нали? Грешите! Не сме взели под внимание скоростта.

Ние можем да подобрим ускорението чрез смяна на предавките (към по-ниски), но не можем да се движим много бързо на първа предавка, така че какъв е смисъла? Ние наистина променихме големината на наличния ВМ, за да ускорим автомобила, но максималната ни скорост е около 30-40км/ч.

Объркани ли сте вече?

Прочетете по-надолу…..



Добре, вече надявам се сме запознати какво е въртящ момент. Сега, нека да разгледаме какво е мощност при двг. Понеже се намираме в Европа, тук най-широко е разпространен DIN (Deutsches Institut für Normung) стандарта за измерване и определяне на мощността. На немски език се обозначава с РS (Pferdestärke= конска сила) и е равна на 735.5 N•m/s=735.5 W = 0.7355 kW = 0.98632 hp (SAE)-( конска сила по американския стандарт).
За да го представим по-просто, конската сила е мярка за извършена работа за определено време или бързината с която е извършена работата. Работата можем да я определим като силата, която действа на даден обект докато той се премества на дадено разстояние. Ако силата и преместването са с паралелни посоки, то механичната работа извършена върху обекта е равна на произведението между силата и разстоянието.
Понеже силата и разстоянието не ни бяха достатъчни, сега вече имаме намесено и време а вала за който говорехме по-горе, трябва в същност да се върти. Защо? Е, ако просто седите и държите вала с окачената тежест в края на рамо, то вие не извършвате работа. Въпреки, че след определено време ще се поуморите и ще имате чувство, че работите, в същност не е така (както обикновено:-) ) Може би не ви се вярва? Хванете обратно вала с рамото и тежестта в менгемето и го оставете там колкото си искате. Няма да са необходими нито бензин, нито храна да го храните за да го снабдявате с енергия.
Въртящият момент сам по себе си не върши нищо полезно. Де факто, определението за ВМ даже не изисква вала да се върти. Аз съм сигурен, че всички искате вашите автомобили да вършат нещо полезно, като да ви закарат на работа или до финала на състезанието при това ПО-БЪРЗО от другия състезател. С други думи, искате автомобила ви да извърши някаква работа и определено това да стане възможно за най-кратко време.
Ако ви дам едно ремарке, пълно с циментови блокчета и ви помоля да го издърпате 1 км нагоре по хълм, вие ще се съгласите, че ви карам да извършите работа. Ако ви помоля заедно с ваш приятел с друго, еднакво с вашето ремарке да ги дърпате нагоре по хълма то, вие определено ще извършите едно и също количество работа. Но ако на вас ви отнеме 1 час, а на приятеля ви 30 минути, значи имаме напълно различна ситуация. И двамата сте извършили една и съща работа, но приятелчето с неговите 30 минути е доказал, че може да развие двойно по-голяма мощност от вас! И двамата сте изминали едно и също разстояние и ст вложили една и съща сила, но третата съставна - времето от определението за мощността е различно.
За тези от вас, които обичат да вникват в детайлите, силата необходима за теглена на ремарке по наклон, с постоянна скорост е равна на произведението от теглото на ремаркето и синуса от ъгъла на наклона. Ако теглото е примерно 100кг(1000Нютона), а ъгъла е 45 градуса, то за силата ще получим 707,1 Нютона.
Ако сме заинтересувани да преместваме ремаркето чрез задвижване на колелата вместо с дърпане, ние можем да превърнем силата във въртящ момент като я умножим по радиуса на задвижваните колела. Нека приемем, че колелата са с 40см диаметър. Това ще даде дължина на рамото (разстоянието от центъра на оста на колелото до земята) равно на 20см или 0.2 метра. Необходимият ВМ тогава ще бъде 707.1 Н х 0.2м = 141.4 Нм .
Джеймс Уот (James Watt) прекарал голямата част от живота си в разработката на парния двигател, създал термина "конска сила". Той търсел начин да измери бързината с която се върши работа от кон и така да направи валидно сравнение между конете, основна "движеща" сила през онези дни и неговите парни двигатели, които той се надявал да заместят животните в бъдеще.
Уот открил, че средно статистически, кон може да издигне 330 паунда (150кг) въглища на 10 фута (30.5метра) за 1 минута. Така той определил, че мощността получена от един кон е равна на 330 х 100 = 33 000 паунд фута / минута. Ако това го разделим на 60 за да го превърнем за секунди то получаваме 550 паунд фута за секунда (550 ft•lbf/s = 1Hp според Уот) . Знаейки, че 1 ft = 0.3048 м; 1 lb= 0.45359237 kg; g= 9.80665 m/s2 и 1 W= 1 J/s = 1 N•m/s = 1 (kg•m/s2)•(m/s), в крайна сметка получаваме
1Hp = 745.7W или 735.5 W (DIN). 1Ps(DIN) = 0.986 Hp(SAE). За да не се отегчаваме с повече сметки, смятам да прескоча момента как се стига до формулата за мощност според Европейски приетия стандарт и да напиша направо, че Р (kW) = N(Nm) x rpm (обороти за мин) / 9549.
Ако знаете две от съставните в тази формула, вие можете да изчислите третата. Също така може да забележите,че мощността и ВМ са равни при 9549 оборота (стига двигателя да стига до там).
Да се върнем обаче към нашите си проблеми. Сигурен съм, че коня от мината или ремаркето с бордюрчетата не изглеждат много във връзка с вашата "бегачка". Да погледнем тогава нещата от друг ъгъл. Определението за мощност включва три величини, сила разстояние и време, където ВМ е просто сила приложена на определено разстояние/рамо. При експеримента на Уот, силата бе приложена от теглото на въглищата, които са изваждани от мината. При колите, ние се интересуваме от ускорение а не от възможността да издигаме товари. В нашият случай, силата се прилага от инерцията на колата, която се съпротивлява на ускорението. Според популярно определение, инерцията е свойство на материята, което й позволява да се съпротивлява на промяна в скоростта. С други думи, колата ви по-скоро няма да се ускори от 50 до 90 км/ч и повече, без наличието на външна сила, която да направи това възможно. Тази сила идва от вашия двигател.
За да определим прецизно възможностите за ускоряване на вашия автомобил, трябва да вземем предвид времето. Ако работим само със сила и разстояние ние не бихме казали много относно възможностите на автомобила. Ако ви кажа, че моят автомобил може да изтегли 1.5 тона, 100 метра по наклонен път ще ви учудя ли? Сигурно не, защото не съм ви казал много. Ако обаче ви кажа, че мога да го направи за 10 секунди докато вашия се нуждае от 15, за да извърши същата работа то,със сигурност ще ви впечатля.
В крайна сметка, всички сме заинтересовани от възможността да изминем определено разстояние за определено време. Разстоянието би могло да е излизането от един завой на пистата до влизането в друг или 402 м или пък от светофар до светофар.
Ако разглеждаме големината на ускорението и км/ч, ние имаме всичките три величини, включени във формулата за мощността. Време, разстояние и сила. Силата е големината/степента на ускорението или силата на инерцията. Времето е в часове, а разстоянието е в километри. Сега, вместо да разглеждаме произволно степента на ускорение, нека включим и км/ч. Нека разгледаме степента на ускорение за два много различни двигателя, за да илюстрирам важността на мощността и абсолютната липса на връзка с въртящия момент.
Да изберем един двигател от Ф1, развъртащ се свободно до 18000 оборота и постигащ почти 800 конски сили, но с един "рехав" ВМ от само 381 Нм. Да сложим от другата страна един типичен американски Къминс турбодизел от Додж Рам, който постига победоносните 753 Нм ВМ, но само 305 конски сили. Кой от двата ще ускорява по-бързо?
Всеки който попитате ще отговори, че Ф1 двигателя ще ускорява по-бързо. Дори и съседа ви с големия V8, за когото въртящия момент е ключа за да се движи по-бързо. Ако ВМ беше определящия фактор, Къминса несъмнено би победил. Какво обаче е наистина?



Нека да изчислим ускорението на двата двигателя, монтирани в един хипотетичен 1200 килограмов автомобил, използвайки споменатите вече по-горе предавателни числа на ск. кутия и 602 милиметровите колела. Тъй като знаем, че автомобил от Ф1 стига спокойно до 320 км/ч, ние ще задвижваме колата до тази скорост и с двата двигателя.
Започваме с Ф1 двигателя, с максималните 18000 оборота. Ние трябва да изчислим необходимото предавателно число на диференциала, за да постигнем 320км/ч при максималните 18000 оборота на 5-та скорост. Първо, нека превърнем км/ч в км/мин чрез разделяне на 60:
320/60 = 5.33 км/мин
Диаметъра на гумата е в метри (.602м). Превръщаме км в метри: 5.33км = 5330метра, тоест имаме 5330м/мин. Обиколката на гумата е 3.14 х .602 = 1.89м. Сега разделяме метри/минути на метри за обороти и получаваме: 5330 / 1.89 = 2820 оборота на гумата за да постигнем 320 км/ч. Двигателя се развърта в 18000 оборота и на 5-та предавка, където избрахме 0.8:1 предавателно число, изходния вал (или кардана) на кутията ще се върти с 18000 / 0.8 = 22500 оборота. Ние пък изчислихме, че гумите трябва да се въртят с 2820 оборота. Тогава, за да намерим предавателното число на диференциала разделяме оборотите на изх. вал на кутията на тези на колелата и получаваме:

22500 / 2820 = 7.98 : 1 предавателно число на диференциала.

Ако преминем през същите отегчителни сметки за Американската дизелова гордост, която между другото се върти само до 3000 оборота, то този път за числото на предавката между пиниона и короната ще получим 1.33 :1, за да се достигнат 320 км/ч на 5-та предавка.
Ако забелязахте, Ф1 двигателя се върти 6 пъти по-бързо от Къминса и съответно необходимото число на диференциала е 6 пъти по-голямо. Ако и двата двигателя са в началото на оборотния си диапазон, съответно 1000 за Къминса и 6000 за Ф1, то на 1-ва предавка ще се движат с около 24 км/ч. Следващата графика илюстрира големината на ускорението на нашия въображаем автомобил, от тази точка до 320 км/ч с двата различни двигателя.



Забележете, че във всяка точка от графиката, процентната разлика в големината на ускоренията е точно разликата в мощностите на двата двигателя. Например при 320км/ч Ф1 двигателя ускорява приблизително с 0.39 G, докато дизела с 0.16 G. Ако разделим двете ускорения, получаваме 2.44. Къминса постига 305 конски сили при 3000 оборота а Ф1 постига 2.44 пъти повече мощност при 18000 оборота или иначе казано 744.2 конски сили. Това отношение може да се засече по всяка точка от графиката и то ще е вярно за мощностите, така и за ускоренията. Това са прости физични закони и не подлежат на коментар.
Ако например нашата максимална скорост не беше 320 а 160 км/ч, то би ви се сторило, че просто ще е нужно да удвоим числата на диференциалите. Ще се окажете прави. Тогава отново ще имаме същите отношения межди мощностите и величините на ускоренията.

Най-накрая завърших. Надявам се ви накарах да погледнете с друго око на мощността, като фактор за ускорението или поне ви вкарах в дълбоки разсъждения.


Източник:heed-auto.com