Не моё, боянометр молчал
Крутящий момент и мощность — пример
Существует определенный круг вопросов, освещенный в этом и других файлах о концепции мощности и момента, как они связаны друг с другом, и как влияют на производительность автомобиля. Хотя практически каждый кое-что знает об автомобилях, уровень этих знаний различен. Некоторые утверждения фундаментальны, но обычно, они несут в себе больше огня, нежели света, то есть, каждому абзацу должна была бы соответствовать отдельная статья. Предмет этого рассуждения может привести к серьезным дискуссиям и вылиться в несколько статей, которые станут обязательными для прочтения.
Итак, начнем, на чисто русском языке.
Сила, Работа и Энергия
Если у вас есть один фунт веса, привинченный к полу медным болтом под ключ на 42, и вы попытаетесь его поднять с силой одного фунта (эх, англичане, отрицают систему СИ, шлепают свои четвертьфунтовые чизбургеры, измеряют буст в ПСИхоединицах)., вы примените силу и затратите энергию, но работа не будет сделана. Если же открутить этот самый медный болт и приложить силу, необходимую для поднятия этого гипотетического фунта на фут, тогда один футофунт (как звучит!) работы будет сделан. Если на это эзотерическое занятие у вас уйдет минута, тогда это будет называться мощностью «футофунт в минуту». Если вам заблагорассудиться заниматься этим 60 раз в минуту, то это безобразие будет именоваться «60 футофунтов в минуту» и так далее… Применительно к показателям производительности автомобилей (то есть когда вам хочется говорить о моменте, мощности, ньютон-метрах, Ваттах или других терминах), вы должны иметь три переменные: сила, работа и время.
Небольшой экскурс в историю. Жил-был один высокоинтеллектуальных джентльмен по фамилии Ватт (это тот самый чувак, что постоянно был озабочен паровыми двигателями). Он сделал несколько открытий, одно из которых заключалось в том, что он, издеваясь над лошадками, выявил, что среднее существо способно поднять 550 фунтов веса на высоту один фут в секунду, выполняя работу на уровне 550 футофунтов в секунду или 33 000 футофунтов в минутку на протяжении 8-часового рабочего дня. Наш джентльмен резко обрадовался и написал в газету «Сельская Новь в Йоркшире» о своем открытии. С тех пор одна лошадкина сила эквивалентна 33000 футофунтов в минуту.
Все стали резко радоваться за своего земляка и кричать окей.
Для предмета нашей дальнейшей дискуссии важно понять, как измерить силу вращающихся объектов, таких как коленвал, детская юла или красивая балерина. Поэтому введем термин, который будет определать силу вращения, типа как описанные выше чертовы футофунты силы. Футофунт момента это крутящая сила, достаточная для поддержать один фунт веса (или 4 четвертьфунтовых чизбургера с котятками) на совершенно невесомом горизонтальном рычаге, на расстоянии один фут от оси.
Сейчас важно понять, что никто на планете не измеряет мощность в лошадиных силах на работающем двигателе. Динамометром, мои дорогие друзья, измеряют крутящий момент, выраженный в футофунтах, и вычисляем текущую мощность, переводя крутящий момент в работу, выраженную в лосях.
Опять представьте этот экзистенциальный фунт, расположенный на невидимом невесомом рычаге на расстоянии один фут от оси. Если начинать вращать этот фунт, преодолевая сопротивление нашего товарища силой в один несчастный фунт, то за один полных оборот мы переместим груз на расстояние в 6,2832 фута и внезапно обалдеем от осознания факта совершения работы в 6,2832 футофунтов.
Ха, вы еще не забыли чудака по фамилии Ватт? Он все твердил, что 33000 футофунтов в минуту эквивалентно одной лошадкиной силе. Если мы начнем делить ее на 6,2832 футофунтов работы, которую совершили в прошлом опыте за один оборот, то придем к выводу, что один футофунт момента на 5252 оборотах в минуту равен 33 000 футофунтов в минуту, что эквивалентно все той же среднестатистической 8-часовой лошадке вороной масти с клеймом TRD. Если халтурить и раскручивать коня до 2626 оборотов в минуту, это будет равно ? лошадкиной силы (или типа 16500 футофунтов в минуту). Формула эта позволяет переводить лосей в момент:
Кони = Момент об/мин / 5252
Это не обуждается. Показан путь доказательства. Точка.
Значение Момента
А сейчас, дорогие мои пионэры, мы узнаем, что же значат все эти незнакомые и кажущиеся кому-то смешными или пошлыми слова в стране карляндии.
Усевшись за руль и уставившись на капотину, молодой драйвер начинает подпрыгивать на сиденье и покрикивать «Момент-рулиз», в то время как его напарник начинает выдавливать этот самый момент в пакетик. Любая тачка, на любой передаче, с произвольным количеством девок на заднем сиденьи и картошки в багажнике будет ускоряться строго пропорционально кривой крутящего момента (с учетом увеличивающегося сопротивления качения и аэродинамики по мере набора скорости). Говоря иначе, изделие автопрома любой страны мира будет ускоряться лучше всего на пике крутящего момента, и перестанет ехать в точке, намного меньше или больше этого пика. Момент есть единственная величина, которую драйвер чувствует, а лошадиные силы — всего лишь эзотерическое измерение в этом контексте. 300 футофунтов момента устремят вас вперед одинаково приятно, что на 2000 оборотов, что на 4000 на этой же передаче, однако, в соответствии с формулой, лошади удвоятся на 4000 оборотах. Таким образом, мощность не такой уж полно описывает поведение машины со стороны пилота, а эти два числа дружественно встречаются на 5252 оборотах в минуту, где они становятся равными друг другу.
В противоположность кривой момента (и соответствующей силе, действующей на седалище водилы), лошадиные силы быстро растут с ростом оборотов, особенно когда значения момента растут. Мощность продолжает увеличиваться, однако, и после прохождения пика момента, продолжая расти с набором скорости двигателя, до тех пор, пока кривая момента не начнет уменьшаться быстрее, чем нарастать обороты. Как уже было сказано, мощность не производит ничего, что пилот мог бы почувствовать.
Значение мощности
Ну вот. Если все завязано на моменте, почему же мы тогда заботимся о мощности?
Потому что (тут автор цитирует своего корефана): «Важнее добиться крутящего момента на высоких оборотах чем на низах, потому как вы выигрываете на переключениях».
rpm in a flash, and the waterwheel would hardly notice Smile.
Для примера, оставим на минутку страну карляндию, и поглядим на водяное колесо, которое я видел в девстве. Это прекрасное массивное колесо (оно было построено праотцами несколько сот лет назад) лениво прокручивалось на валу, который был подсоединен к агрегатам мельницы. Выпытав у местной братвы тайну и исписав мелким почерком пару общих тетрадей, я нажил геморрой и обнаружил, что это мегаколесо имеет момент около 2600 футофунтов (ой как я устал писать это глупое слово). Потом еще тетрадка пошла на расчет скорости, и оказалось, что это чудо вертится примерно 12 оборотов в минуту. Если мы присоединим это колесо к колесу авто, то автоколесо раскрутится от нуля до двенадцати оборотов мгновенно, а насчет водяного колеса мы не можем сказать то же самое.
С другой стороны, 12 оборотов колеса примерно одна миля в час (ну вот еще млин один примерчик этой мазерфак дюймовой системы) и, для того, чтобы ехать быстрей, нам нужно переключиться. Чтобы достичь 60 м/ч нам потребуется такая шестерня, которая может эффективно передать немногим более 43 футофунтов момента на выходе, а это маленькая величина не только сама по себе, это меньше чем нужно среднему авто чтобы достичь 60. Применяем любимую формулу Ватта и получим: 12 умножить на 2 600, поделить на 5 252 равно 6 л. с.
Упс. Любимое американское выражение удивления. Теперь мы видим конец. Хотя водяное колесо нашего бандитского фермера способно перемалывать тела конкурентов так, что даже зуба не останется, мощность (способность совершать работу в единицу времени) серьезно ограничена, поэтому поголовье соперников нашего мельника не уменьшается.
Стриптиз на драге
ОК. Любимое выражение американцев, когда надо с чего-то начать. Итак, окей, вдох, перед глазенками опять карляндия и несколько примеров как мощность определяет значительную разницу, насколько быстро болид может разгоняться, кроме того, насколько вы чувствуете разгон своей пятой точкой. Очень хороший пример — пара машинок, Corvette LT1 и Vettes L98, выпущенные в 1991 г. Смотрим в таблицу и видим:
Мотор
Пиковая мощность и момент на об/мин
L98
250 @ 4000 340 @ 3200
LT1
300 @ 5000 340 @ 3600
Коробки идентичные, вес машин отличается на несколько фунтов, так что это подходящее сравнение.
Сначала, каждая машина толкает вас вперед, доставляя немало впечатлений с одинаковым усилием — во всяком случае на пике момента на каждой передаче. Оба водилы будут чувствовать одинаково, однако LT1 на практике будет значительно быстрее, пусть даже они тянут одинаково. Если вы еще не выкупили все прелести любимой формулы Ватта или не проходили в школе элементарные алгебраические преобразования выражений и дробей, повторим формулу в другом виде:
Момент = Мощность 5252 / об/мин
Очевидно (мое любимое слово в учебнике давно забытом учебнике по Вышке) что L98 отдает 328 футофунтов момента на пике мощности (250 кобыл на 4000 об/мин), и мы можем вычислить, что этот движок не может выдать больше 263 футофунтов момента на 5000 оборотов, иначе он выдавал бы больше 250 лошадей на этих оборотах движка. В действительности, L98 не выдает больше 210 футофунтов на 5000 оборотах, и владелец этой телеги переключается на 4600—4700 оборотах, потому как на следующей передаче мы попадем в точку большего момента.
Так и на драге, болиды стартуют более или менее одновременно. L98 может немного вырваться вперед, выигрывая за счет быстрого достижения пика момента, хотя и это спорно, т. к. LT1 имеет более широкую и плоскую (нагляднее было бы конечно на картинках…). Начиная от средних в сторону высоких оборотов, LT1 начинает уезжать. Когда L98 переключается на вторую, LT1 остается еще 1000 оборотов на первой, и это все повторяется
